DE102005034036A1

DE102005034036A1 - Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102005034036A1
Application number: DE102005034036A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Schön; Karl-Hermann Dr.-Ing. Ketteler; Andreas Dipl.-Ing. Fuessl; Jürgen Dipl.-Ing. Kett; Allan Dipl.-Ing. Muschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-01-25
Also published as: US20070018501A1

Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere von elektromagnetischen Energiewandlern mit überwiegend generatorischem Betriebsmodus, wobei dem zumindest einen elektromagnetischen Energiewandler ein mit dem Bordnetz bzw. mit der Bordnetzbatterie elektrisch verbundenes Speicherelement zugeordnet ist, wird die Versorgungsspannung des zumindest einen elektrischen Stellantriebs bzw. des zumindest einen elektromagnetischen Energiewandlers (2) im Vergleich zur Bordnetzspannung erhöht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, in Kraftfahrzeugen elektrische Stellantriebe einzubauen. Hierbei handelt es sich oft um Verbraucher mit hoher Leistung, so dass elektromagnetische Energiewandler bzw. Spannungsstabilisatoren eingesetzt werden, um Spannungseinbrüche zu vermeiden.
Elektromagnetische Energiewandler können im Fahrzeugbereich sowohl für statische Verstellaufgaben als auch für die dynamische Beeinflussung des Fahrzeugverhaltens, z.B. im Fahrwerksbereich, eingesetzt werden.
Insbesondere zum Zweck der dynamischen Beeinflussung des Fahrzeugverhaltens ist die nötige Momentanleistung für den Stellantrieb häufig hoch und kann vom normalen Bordnetz nicht unterstützt werden. Aus diesem Grunde wird der Einsatz von elektrischen Speicherelementen erforderlich, die diesen elektrischen Antrieben direkt zugeordnet sind, um das Bordnetz des Fahrzeugs zu entlasten. Wegen der hierfür notwendigen Energie- und Leistungsdichte ist bekannt, als Speicherelemente Doppelschichtkondensatoren einzusetzen.

Aus der DE 103 45 310 A1 ist ein Energiebordnetz mit verbesserter Ladestrategie der Stützbatterie bekannt, welches einen Generator, einen ersten Energiespeicher, einen zweiten Energiespeicher, eine Vielzahl von an das Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern und eine steuerbare Lade- und Trenneinheit aufweist. Über die steuerbare Lade- und Trenneinheit wird der zweite Energiespeicher an das Bordnetz angeschlossen; zu diesem Zweck weist sie Halbleiterschalter umfassende Schaltmittel auf, über die der zweite Energiespeicher mit dem Bordnetz verbindbar ist, wobei ein elektrisches Energiemanagement Steuersignale für die Schaltmittel erzeugt. Hierbei bringt das elektrische Energiemanagement zum Nachladen des zweiten Energiespeichers die Schaltmittel in den geschlossenen Zustand.

Aus der DE 102 33 816 A1 ist ein Verfahren zur Absicherung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, welches einen Generator und schaltbare Verbraucher aufweist, bekannt, im Rahmen dessen ein dem Generator parallel geschalteter Hauptspeicherkondensator, dessen Spannung sich im geladenen Zustand zumindest annähernd auf der Bordnetzspannung befindet, und ein Zusatzspeicherkondensator, dessen Spannung im geladenen Zustand wesentlich geringer als die des Hauptspeicherkondensators ist, bei einer Verringerung der tatsächlichen Bordnetzspannung so lange in Reihe geschaltet werden, bis das durch das Einschalten eines Verbrauchers verursachte Spannungsdefizit durch eine Erhöhung der Generatorausgangsspannung ausgeglichen wird.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeug-Bordnetzen wird die hohe Leistung der Stellantriebe mit der vergleichsweise kleinen Bordnetzspannung (zwischen 12 V und 24 V) versorgt, wodurch hohe Ströme entstehen, welche zum einen in einer größeren Dimensionierung der Bauteile zur elektrischen Versorgung (Leitungsquerschnitte, Kontakte, Stecker, etc.) und/oder zum anderen in unerwünschten Spannungsabfällen resultieren, welche die Funktion der Stellantriebe beeinträchtigen können. Des weiteren wird das elektrische Speichervermögen eines verwendeten Speicherelements in nachteiliger Weise nur teilweise genutzt, wenn das Spannungsniveau des Speicherelements und das Spannungsniveau des Bordnetzes ähnlich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen anzugeben, durch dessen Durchführung die beschriebenen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermieden werden. Des weiteren soll eine Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen angegeben werden.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen ist Gegenstand des Patentanspruchs 6.

Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.

Demnach wird ein Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere von elektromagnetischen Energiewandlern mit überwiegend generatorischem Betriebsmodus vorgeschlagen, im Rahmen dessen die Versorgungsspannung des zumindest einen elektrischen Stellantriebs bzw. des zumindest einen elektromagnetischen Energiewandlers im Vergleich zur Bordnetzspannung erhöht wird.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption entfällt die Notwendigkeit der größeren Dimensionierung der elektrischen Anschlusstechnik, da die aufgrund der höheren Spannung kleineren elektrischen Ströme in vorteilhafter Weise in kleineren erforderlichen Kabelquerschnitten und kleiner dimensionierten Kontakten resultieren. Des weiteren ist eine Leistungsentkopplung vom Bordnetz auf niederem Spannungsniveau möglich.

Dynamische elektromagnetische Energiewandler in Fahrzeugen, beispielsweise Elektromotoren, die als Stellantriebe eingesetzt werden, müssen in allen vier Quadranten des F-v-Diagramms betrieben werden. Bei Aktuatoranwendungen, die überwiegend im generatorischen Modus betrieben werden, kann gemäß der Erfindung die generatorische Energie dazu genutzt werden, um die eingesetzten Speicherelemente über die Bordnetzspannung hinaus aufzuladen, wodurch die beschriebenen Vorteile erzielbar sind.

Gemäß der Erfindung wird das dem jeweiligen elektrischen Stellantrieb bzw. dem elektromagnetischen Energiewandler direkt zugeordnete Speicherelement durch eine mit der Bordnetzbatterie verbundene Diode zunächst auf die Bordnetzspannung aufgeladen, wodurch der elektromagnetische Energiewandler, beispielsweise der Elektromotor startfähig ist. Die Charakteristik vieler elektromagnetischer Energiewandler erlaubt es, bereits mit geringer Spannung die Nennkraft bzw. das Nennmoment bei kleiner Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl aufzubauen. Auf diese Weise kann in der Startphase bereits eine Grundfunktion des elektromagnetischen Energiewandlers realisiert werden.

Im Betrieb führt die überwiegend generatorische Belastung bzw. der generatorische Betrieb des elektromagnetischen Energiewandlers zum Überladen des Speicherelementes, da die zwischen dem Speicherelement und dem Bordnetz geschaltete Diode den Abfluss der Ladung ins Bordnetz verhindert. Da ein elektrisches Speicherelement üblicherweise nur eine geringe Selbstentladung aufweist, bleibt die einmal erreichte Überspannung im Stillstand langfristig erhalten.

Je nach Systemspezifikation kann die Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers frei gewählt werden und kann größer als die Bordnetzspannung sein, wobei bei der Bordnetzspannung die volle Funktion gegeben ist; die Bemessungsspannung kann auch gleich der Bordnetzspannung sein. Gemäß der Erfindung kann auch die Speichernennspannung frei gewählt werden und kann größer als die Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers sein; sie kann auch den gleichen Wert wie die Bemessungsspannung annehmen. Je größer die Speichernennspannung gegenüber der Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers ist, desto länger kann der Energiewandler bzw. der Stellantrieb die volle Funktion bei Bemessungsnennspannung darstellen.

Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist bei der Diode eine Überspannungsbegrenzung vorgesehen, welche dafür sorgt, dass bei Erreichen der Speichernennspannung die überschüssige Ladung ins Bordnetz abfließen kann. Vorzugsweise ist die Diode als Zenerdiode ausgebildet, wodurch die gewünschte Überspannungsbegrenzung realisierbar ist, wobei auch weitere aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen einsetzbar sind.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen umfasst demnach eine zwischen der Bordnetzbatterie und dem dem elektrischen Stellantrieb bzw. dem elektromagnetischen Energiewandler direkt zugeordneten Speicherelement geschaltete Diode, die vorzugsweise eine Überspannungsbegrenzung aufweist, und weist zudem den Vorteil auf, dass die eingesetzten Bauteile Diode und Überspannungsbegrenzung Komponenten aufweisen, welche als Verpolschutz bereits vielfach vorhanden sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur, welche ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen darstellt, beispielhaft näher erläutert.
In der Figur ist mit 1 die Bordnetzbatterie und mit 2 ein elektromagnetischer Energiewandler bzw. ein elektrischer Stellantrieb bezeichnet. Des weiteren ist ein dem elektrischen Stellantrieb bzw. dem elektromagnetischen Energiewandler 2 direkt zugeordnetes Speicherelement 3 vorgesehen, das vorzugsweise als Doppelschichtkondensator ausgebildet ist und einerseits mit dem elektrischen Stellantrieb bzw. dem elektromagnetischen Energiewandler 2 und andererseits über eine Diode 4 mit dem Bordnetz bzw. der Bordnetzbatterie 1 elektrisch verbunden ist. Die Diode 4 weist eine Überspannungsbegrenzung 5 auf und ist, wie bereits erläutert, vorzugsweise als Zenerdiode, ausgebildet.
Gemäß der Erfindung wird die Versorgungsspannung des elektrischen Stellantriebs bzw. des elektromagnetischen Energiewandlers 2 im Vergleich zur Bordnetzspannung erhöht. Dies erfolgt dadurch, dass Im Betrieb die überwiegend generatorische Belastung bzw. der generatorische Betrieb des elektromagnetischen Energiewandlers 2 zum Überladen des Speicherelementes 3 führt, da die zwischen dem Speicherelement 3 und dem Bordnetz bzw. der Bordnetzbatterie 1 geschaltete Diode 4 den Abfluss der Ladung ins Bordnetz verhindert.
Hierbei kann in Abhängigkeit von den Systemspezifikationen die Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers in einem Bereich oberhalb der Bordnetzspannung frei gewählt werden; zudem kann auch die Speichernennspannung größer als die Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers 2 gewählt werden.
Die Implementierung des hier vorgestellten Verfahrens kann mit herkömmlichen Komponenten erfolgen, so dass die Kosten hierfür gering gehalten werden können. Des weiteren wird eine signifikante Kostenersparnis erzielt, da die Bauteile zur elektrischen Versorgung (Leitungsquerschnitte, Kontakte, Stecker, etc.) klein dimensioniert werden können.

1: Bordnetzbatterie
2: elektromagnetischer Energiewandler, elektrischer Stellantrieb
3: Speicherelement
4: Diode
5: Überspannungsbegrenzung

Claims

Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere von elektromagnetischen Energiewandlern mit überwiegend generatorischem Betriebsmodus, wobei dem zumindest einen elektromagnetischen Energiewandler ein mit dem Bordnetz bzw. mit der Bordnetzbatterie elektrisch verbundenes Speicherelement zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung des zumindest einen elektrischen Stellantriebs bzw. des zumindest einen elektromagnetischen Energiewandlers (2) im Vergleich zur Bordnetzspannung erhöht wird.
Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die generatorische Energie des zumindest einen elektrischen Stellantriebs bzw. des zumindest einen elektromagnetischen Energiewandlers (2) dazu genutzt wird, um das dem jeweiligen elektromagnetischen Energiewandler (2) zugeordnete Speicherelement (3) über die Bordnetzspannung hinaus aufzuladen.
Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem jeweiligen elektrischen Stellantrieb bzw. dem elektromagnetischen Energiewandler (2) direkt zugeordnete Speicherelement (3) durch eine mit der Bordnetzbatterie (1) verbundene Diode (4), die zwischen dem Speicherelement (3) und der Bordnetzbatterie (1) geschaltet ist, zunächst auf die Bordnetzspannung aufgeladen wird, wobei anschließend durch den generatorischen Betrieb des elektrischen Stellantriebs bzw. des elektromagnetischen Energiewandlers (2) ein Überladen des Speicherelementes (3) erzielt wird, da durch die zwischen dem Speicherelement (3) und dem Bordnetz geschaltete Diode (4) der Abfluss der Ladung ins Bordnetz verhindert wird.
Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers (2) in einem Bereich oberhalb der Bordnetzspannung frei gewählt wird oder gleich der Bordnetzspannung ist.
Verfahren zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichernennspannung größer als die Bemessungsspannung des elektromagnetischen Energiewandlers (2) gewählt wird oder den gleichen Wert annimmt.
Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere von elektromagnetischen Energiewandlern mit überwiegend generatorischem Betriebsmodus, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend ein dem zumindest einem elektrischen Stellantrieb bzw. dem zumindest einen elektromagnetischen Energiewandler zugeordnetes Speicherelement, welches mit der Bordnetzbatterie verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zwischen der Bordnetzbatterie (1) und dem dem zumindest einen elektrischen Stellantrieb bzw. dem zumindest einen elektromagnetischen Energiewandler (2) zugeordneten Speicherelement (3) geschaltete Diode (4) umfasst, durch die ein Abfluss der Ladung des Speicherelementes (3) ins Bordnetz verhindert wird.
Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (4) eine Überspannungsbegrenzung (5) aufweist, derart, dass bei Erreichen der Speichernennspannung die überschüssige Ladung ins Bordnetz abfließen kann.
Einrichtung zur elektrischen Versorgung von elektrischen Stellantrieben von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (4) als Zenerdiode ausgebildet ist.