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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug. Genauer betrifft
die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung,
welche einen flexibleren und leistungsfähigeren Betrieb eines Generators,
insbesondere eines Integrierten Starter-Generators, ermöglichen.
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Im
Stand der Technik sind Schaltungsanordnungen zur Spannungsversorgung
in Kraftfahrzeugen bekannt, welche dem unterschiedlichen Leistungsbedarf
der in einem elektrischen Bordnetz vorhandenen Komponenten dadurch
Rechnung tragen, dass an mehreren Versorgungsleitungen jeweils voneinander
verschiedene Spannungen bereitgestellt werden.
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Beispielsweise
ist aus der
DE 100
57 259 A1 ein Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt,
welches eine durch Schalter unterbrechbare Reihenschaltung von drei
12-Volt(V)-Batterien aufweist, wobei mittels Betätigung der Schalter auf zwei
Versorgungsleitungen zwei verschiedene Ausgangsspannungen derart
erzeugbar sind, dass insbesondere ein Zweispannungsbordnetz mit
einer Ausgangsspannung von 36V auf der einen Versorgungsleitung
und einer Ausgangsspannung von 12V auf der anderen Versorgungsleitung
realisierbar ist. Ferner wird auch eine Änderung der Reihenfolge der
drei Batterien insbesondere in Abhängigkeit vom Ladezustand beschrieben,
um den Entladungszustand der Batterien etwa gleichzuhalten.
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Aus
der
DE 100 55 531
A1 ist ebenfalls eine elektronische Schaltungsanordnung
zur Spannungsversorgung von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug
bekannt, in welcher insbesondere drei Bordnetzbatterien mit einer
Nennspannung von jeweils etwa 12V vorgesehen sind, die mittels elektronischer
Schaltelemente zueinander veränderlich
angeordnet werden können.
Die drei Bordnetzbatterien können
in einer ersten Schalterkonfiguration mit dem Generatornetz zum
Laden verbunden werden, wohingegen in einer weiteren Schalterkonfiguration
sich die Spannungen von wenigstens zwei dieser Bordnetzbatterien
durch Reihenschaltung zur Bereitstellung eines Netzes mit höherer Spannung
addieren. Dabei wird bevorzugt eine Reihenschaltung der Bordnetzbatterien
nur dann durchgeführt,
wenn eine Energieanforderung eines Hochspannungsverbrauchers, insbesondere
bei Aktivierung einer durch die Vorrichtung versorgten Bremsanlage,
vorliegt.
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In
einem Bordnetz kann jedoch auch vorübergehend ein erhöhter Leistungsbedarf
auftreten. So ist etwa bei einem sog. Integrierten Starter-Generator
(B-ISG = "belt driven
integrated starter generator"),
welcher an das übliche
12V/14V-Versorgungsnetz
angeschlossen ist, die Fähigkeit
zur Bereitstellung der notwendigen Antriebskraft für die Kurbelwelle
während
des Anlassens des Motors begrenzt, was besonders bei häufigen Stop/Start-Vorgängen des
Verbrennungsmotors ein Problem darstellt. Ein Betrieb mit häufigen Stop/Start-Vorgängen des
Verbrennungsmotors kann insbesondere in Hybrid-Elektrofahrzeugen
einen wesentlichen Beitrag zur Kraftstoffersparnis liefern. Möglichkeiten
zur Bereitstellung zusätzlicher
Energie bestehen darin, die Systemspannung des Integrierten Starter-Generators
zu erhöhen,
was jedoch eine Anpassung bzw. Modifikation der in der Regel als
Energiespeicher verwendeten 12V-Batterie erfordert, oder auch den
Einsatz eines leistungsfähigen
herkömmlichen
Starter-Motors.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen,
welche einen flexibleren und an unterschiedliche Betriebszustände anpassbaren
Betrieb eines Generators ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruches 1 bzw. 12 gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug, bei dem eine Mehrzahl
von Batterien zur Bereitstellung von wenigstens zwei voneinander
verschiedenen Versorgungsspannungen über Schaltelemente in unterschiedlichen
Schaltkonfigurationen zueinander angeordnet werden, weist folgende
Schritte auf:
- – Anordnen der Batterien in
einer ersten Schaltkonfiguration derart, dass für einen an einem vorbestimmten Ausgangsbus
angeschlossenen Generator eine erste Versorgungsspannung bereitgestellt
wird; und
- – Vorübergehendes
Umschalten von der ersten Schaltkonfiguration in eine zweite Schaltkonfiguration,
in der an dem gleichen Ausgangsbus eine zweite Versorgungsspannung
bereitgestellt wird, welche größer als die
erste Versorgungsspannung ist, in wenigstens einem vorbestimmten
Betriebsmodus des Generators.
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Die
Erfindung ist somit insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die
für einen
Generator bereitgestellte Versorgungsspannung an ein und demselben
Ausgangsbus vorübergehend
erhöht
wird. Erfindungsgemäß wird somit
bewusst kein Mehrspannungsnetz (mit Bereitstellung voneinander verschiedener
Ausgangsspannungen an unterschiedlichen Versorgungsleitungen) aufgebaut,
sondern es wird vielmehr die Möglichkeit geschaffen,
die an ein und demselben Ausgangsbus für den Generator bereitgestellte
Versorgungsspannung selektiv zu variieren, indem die Schaltkonfiguration
einer Mehrzahl von Batterien gezielt verändert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Generator ein integrierter Starter/Generator
(ISG). In diesem Falle erweist sich die Möglichkeit zur gezielten Erhöhung der
für den
Generator bereitgestellten Versorgungsspannung als besonders vorteilhaft,
da die Fähigkeit
des integrierten Starter/Generators zur Bereitstellung der notwendigen
Antriebskraft für
die Kurbelwelle während
des Anlassens des Motors erhöht wird.
So ist insbesondere bei häufigen
Stop/Start-Vorgängen eine
verbesserte Kraftstoffersparnis erreichbar, wobei der integrierte
Starter/Generator weiterhin im gewöhnlichen Generatorbetrieb,
bei dem er nicht als Startermotor arbeitet, an einer niedrigeren
Versorgungsspannung, insbesondere an einem üblichen 12V/14V-Versorgungsnetz,
liegen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt das Umschalten von der ersten Schaltkonfiguration
in die zweite Schaltkonfiguration, wenn der Generator in einem Betriebsmodus
des regenerativen Bremsens betrieben wird. Auf diese Weise kann
in Fahrtsituationen, wenn der Fahrer vom Gaspedal geht, also etwa
beim Abbremsen oder einer Bergabfahrt des Fahrzeugs, infolge der
Erhöhung
der Spannung des integrierten Starter/Generators bei gleichem Strom
eine größere Energiemenge
durch den integrierten Starter/Generator aufgenommen werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit der Ausbildung des Generators als integrierter
Starter/Generator erfolgt das Umschalten von der ersten Schaltkonfiguration
in die zweite Schaltkonfiguration, wenn der integrierte Starter/Generator
als Startermotor betrieben wird, so dass er Drehmoment an einen
Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges liefert. Infolge des Umschaltens
in die zweite Schaltkonfiguration wird eine höhere elektrische Energiemenge
an den integrierten Starter/Generator geliefert, so dass seine Fähigkeit
zur Bereitstellung der notwendigen Antriebskraft für die Kurbelwelle
erhöht
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Batterien in einer Reihenschaltung angeordnet, wobei beim
Umschalten von der ersten Schaltkonfiguration in die zweite Schaltkonfiguration
die Anzahl der zwischen einem Bezugspotential und dem vorbestimmten
Ausgangsbus hintereinander geschalteten Batterien erhöht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden während
des Umschaltens von der ersten Schaltkonfiguration in die zweite
Schaltkonfiguration nichtsicherheitsrelevante elektrische Verbraucher
vorübergehend abgeschaltet,
wodurch Spannungsfluktuationen vermindert werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird während
des Umschaltens von der ersten Schaltkonfiguration in die zweite
Schaltkonfiguration ein durch den Generator fließender Strom, vorzugsweise
auf nahezu Null, reduziert, was sowohl sofort, als auch durch stufenweises
oder kontinuierliches Herunterfahren erfolgen kann.
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Auf
diese Weise wird ein Fließen
hoher Schaltströme
vermieden und das Auftreten von Überspannungen
infolge der Generatorinduktivität
wird verhindert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Reihenfolge der Batterien in der Reihenschaltung wiederholt
geändert,
um insgesamt einen möglichst
gleichen Energiedurchsatz und eine möglichst ausgeglichene Lebenserwartung
der Batterien zu gewährleisten.
Vorzugsweise erfolgt dabei die Änderung
der Reihenfolge der Batterien in der Reihenschaltung in Abhängigkeit
vom Ladezustand der Batterien.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Batterien jeweils eine Nennspannung von etwa 6 Volt auf.
Dabei wird vorzugsweise beim Umschalten von der ersten Schaltkonfiguration
in die zweite Schaltkonfiguration die Anzahl der zwischen einem
Bezugspotential und dem vorbestimmten Ausgangsbus hintereinander
geschalteten Batterien von zwei auf drei erhöht. Bei dieser bevorzugten
Ausgestaltung liegt an dem Generator im Regelfall somit die übliche 12V-Spannung
an, wobei im Bedarfsfall, nämlich
beim Einsatz als Startermotor und/oder beim regenerativen Bremsen,
eine Überspannung
von 18V zur Verfügung
steht. Derartige 6V-Blöcke
sind ohne weiteres verfügbar,
da sie auch eine flexiblere Anordnung im Fahrzeug ermöglichen.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung
in einem Kraftfahrzeug, welche zur Durchführung des oben beschriebenen
Verfahrens geeignet ist.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Abbildungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsversorgung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Schalteranordnung zur Realisierung
eines bevorzugten Austauschschemas bezüglich der Batterien des in 1 gezeigten
Schaltungsdiagramms;
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3 ein
Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsversorgung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung; und
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4 eine
schematische Darstellung einer Schalteranordnung zur Realisierung
eines bevorzugten Austauschschemas bezüglich der Batterien des in 3 gezeigten
Schaltungsdiagramms.
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Gemäß 1 ist
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in
einer ersten Ausführungsform dargestellt,
welche der Spannungsversorgung in einem elektrischen Bordnetz eines
(nicht dargestellten) Kraftfahrzeuges dient. Die Schaltungsanordnung 100 weist
eine erste Batterie 10, eine zweite Batterie 20 und
eine dritte Batterie 30 auf, welche beispielsweise Blei/Säure-Batterien
sein können
und jeweils mit einer Nennspannung von etwa 6V ausgelegt und miteinander
in Reihe geschaltet sind. Ebenfalls dargestellt sind – stellvertretend
für die
diversen in dem Bordnetz vorhandenen elektrischen Verbraucher – ein erster
Verbraucher 40 und ein zweiter Verbraucher 50.
Bei dem ersten Verbraucher 40 handelt es sich um einen
Verbraucher mit einem relativ niedrigen Spannungsbedarf von typischerweise
5V, beispielsweise einen Controller. Der erste Verbraucher 40 ist
an den Pluspol der ersten Batterie 10 und an Masse angeschlossen
und liegt somit an einer ersten Spannung von U1 = 6V. Der zweite
Verbraucher 50 ist an den Pluspol der zweiten Batterie 20 und
an Masse angeschlossen und liegt an einer zweiten Spannung von U2
= 12V.
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Eine
Batterieüberwachungseinrichtung 60 ist
zwischen den Minuspol der ersten Batterie 10 und Masse
angeschlossen. Gemäß 1 misst
die Batterieüberwa chungseinrichtung 60 den
durch die erste Batterie 10 fließenden elektrischen Strom.
Hieraus kann der durch die zweite Batterie 20 fließende Strom
berechnet werden, indem der zum ersten Verbraucher 40 abfließende Strom
zu dem von der Batterieüberwachungseinrichtung 60 gemessenen
Strom addiert wird.
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In 1 schematisch
dargestellt ist ferner ein integrierter Starter/Generator 70,
welcher über
einen Schalter 80 selektiv an den Pluspol der zweiten Batterie 20 oder
an den Pluspol der dritten Batterie 30 angeschlossen werden
kann, so dass an dem Starter/Generator 70 im erstgenannte
Falle die zweite Spannung U2 = 12V anliegt und im zuletzt genannten
Falls eine dritte Spannung von U3 = 18V anliegt.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 kann
auch in Verbindung mit einem herkömmlichen Generator (anstelle
des integrierten Starter/Generators 70) vorteilhaft implementiert
werden. In diesem Falle wird, wie in 1 gestrichelt
dargestellt, zusätzlich
ein herkömmlicher
Starter-Motor 90 an den Pluspol der zweiten Batterie 20 angeschlossen,
so dass an dem Starter-Motor 90 die zweite Spannung U2
= 12V anliegt.
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Im
Betrieb der Schaltungsanordnung 100 ist der integrierte
Starter/Generator 70 über,
den Schalter 80 an den Pluspol der zweiten Batterie 20 und
somit an die Spannung U2 = 12V angeschlossen, wenn sich das Fahrzeug
im gewöhnlichen
Fahrtbetrieb befindet. Hingegen erfolgt eine Umschaltung des Schalters 80 und
ein Anschluss des integrierten Starter/Generators 70 an
den Pluspol der dritten Batterie 30 und damit an eine Spannung
von U3 = 18V, wenn entweder
- (a) beim Anlassen
des Verbrennungsmotors der integrierte Starter/Generator 70 in
seiner Funktion als Startermotor Drehmoment an den Verbrennungsmotor
liefert; oder
- (b) beim regenerativen Bremsen der integrierte Starter/Generator 70 in
seiner Funktion als Generator Bewegungsenergie in elektrische Energie
umgewandelt und in der Batterie speichert.
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In
Situation (a), die bei jedem Start-Betrieb eintritt, wird infolge
des Anschlusses des integrierten Starter/Generators 70 an
die Spannung U3 = 18V eine um 50% höhere elektrische Energiemenge
an den integrierten Starter/Generator 70 geliefert. Die
Erhöhung
der am integrierten Starter/Generators 70 anliegenden Spannung
auf U3 = 18V ist dabei insofern vorteilhaft, als die Elektronik
des integrierten Starter/Generators 70 zwar hinsichtlich
des maximal aufnehmbaren Stromes begrenzt ist, jedoch infolge eines
in der Regel verfügbaren ausreichend
großen
Spannungspuffers eine Erhöhung
der Spannung bei gleichem Strom keine Anpassung der Hardware des
integrierten Starter/Generators 70 erfordert.
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In
Situation (b), die typischerweise eintritt, wenn der Fahrer vom
Gaspedal geht, also etwa beim Abbremsen oder einer Bergabfahrt des
Fahrzeugs, führt
die Erhöhung
der Spannung des integrierten Starter/Generators 70 dazu,
dass bei gleichem Strom eine größere Energiemenge
von dem integrierten Starter/Generator 70 aufgenommen und
in der Batterie gespeichert werden kann. Die Erhöhung der Generatorspannung
auf 18V ist dabei insofern vorteilhaft, als nicht nur integrierte
Starter/Generatoren oder B-ISG's,
sondern auch herkömmliche
Generatoren ein wesentlich größeres Spannungsfenster
zur Verfügung
stellen, als in einem üblichen
12V/14V-Netz genutzt werden kann.
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Wenn,
wie oben erwähnt,
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in
Verbindung mit einem herkömmlichen
Generator (anstelle des integrierten Starter/Generators 70)
und mit einem zusätzlichen
herkömmlichen
Starter-Motor 90 implementiert wird, kommt nur das obige
Szenario (b), also eine verbesserte regenerative Energieerzeugung
aufgrund der Spannung U3, zum Tragen.
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Die
Tatsache, dass in der Konfiguration gemäß 1 die dritte
Batterie 30 nur in den o.g. Situationen (a) und (b) verwendet
wird und zudem Energie an der ersten Batterie 10 unmittelbar
(vom Verbraucher 40) abgegriffen werden kann, führt dazu,
dass der Energiedurchsatz durch die Batterien 10–30 ohne
weitere Maßnahmen
unterschiedlich ist. Um gleichwohl eine insgesamt möglichst
ausgeglichene Lebenserwartung der Batterien 10–30 zu
gewährleisten,
werden die Positionen der Batterien 10–30 untereinander
in geeigneten Abständen,
vorzugsweise gemäß Steuerung
durch die Batterieüberwachungseinrichtung 60,
ausgetauscht, wie nachfolgend näher
erläutert
wird.
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Zur
Realisierung eines einzelnen Austausches der Position zweier Batterien,
beispielsweise der ersten Batterie
10 und der dritten Batterie
30,
werden diese zunächst
für eine
kurze Zeitdauer (typischerweise im Bereich von ms) parallel geschaltet
(z.B. in der ursprünglichen
Position der ersten Batterie
10), woraufhin die zu ersetzende
Batterie (z.B. die erste Batterie
10) abgeklemmt und anschließend in
der ursprünglichen
Position der anderen Batterie (z.B. der dritten Batterie
30)
wieder angeschlossen wird. Um insgesamt durch derartige Austauschvorgänge einen
gleichmäßigen Energiedurchsatz
durch die drei Batterien
10–
30 zu erreichen,
wird vorzugsweise das in Tabelle 1 gezeigte Austauschschema angewandt,
gemäß dem sämtliche
sechs möglichen
Permutationen erreicht werden: Tabelle
1:
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In 2 ist
ein zu der Schaltungsanordnung 100 von 1 analoges
Anschlussschema der Batterien 10–30 dargestellt, bei
dem jede der Batterien 10–30 über je zwei
Drei-Wege-Schalter 11 und 12 (für die erste Batterie 10)
mit Schaltkontakten 11a–c bzw. 12a–c, 21 und 22 (für die zweite
Batterie 20) mit Schaltkontakten 21a–c bzw. 22a–c bzw. 31 und 32 (für die dritte
Batterie 30) mit Schaltkontakten 31a–c bzw. 32a–c sowohl
mit ihrem jeweiligen Minuspol als auch mit ihrem jeweiligen Pluspol
an die Potentiale U1, U2, U3 sowie an Massepotential anschließbar ist.
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Im
obigen Beispiel von Tabelle 1 sind etwa für die dritte Batterie 30 in
der Ursprungsposition die Schalterkontakte 31c und 32a geschlossen
und die Schalterkontakte 31a, b und 32b, c geöffnet, während für die erste
Batterie 10 in der Ursprungsposition die Schalterkontakte 11a und 12a geschlossen
und die Schalterkontakte 31a, b und 12b, c geöffnet sind.
Zum Austausch der ersten Batterie 10 und der dritten Batterie 30 wird zunächst die
dritte Batterie 30 zu der ersten Batterie 10 mittels Öffnen des
Schaltkontakts 31c und Schließen des Schaltkontakts 31a parallel
zur ersten Batterie 10 geschaltet, daraufhin die erste
Batterie 10 durch Öffnen des
Schaltkontakts 11a abgeklemmt und schließlich die
erste Batterie 10 durch Schließen des Schaltkontakts 11c in
der Ausgangsposition der dritten Batterie 30 wieder angeschlossen.
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Jeder
der in 2 gezeigten Drei-Wege-Schalter 11, 12, 21, 22, 31 und 32 kann
selbstverständlich auch
durch drei einfache Schalter mit jeweils nur einem Schaltkontakt
bzw. bistabile Relais oder auch durch Halbleiterschalter ersetzt
werden.
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In
3 ist
in Abwandlung des Schaltungsschemas von
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
200 in
einer zweiten Ausführungsform
dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung
100 dadurch,
dass anstelle der drei Spannungsabgriffe an U1, U2 und U3 nur zwei
Spannungsabgriffe U2 = 12V und U3 = 18V vorgesehen sind, also insbesondere
der in der Schaltungsanordnung
100 gezeigte Verbraucher
40 entfällt. Um
in diesem Falle einen gleichmäßigen Energiedurchsatz
der Batterien
10–
30 und eine
etwa gleiche Lebensdauer zu gewährleisten,
werden wiederum die Positionen der Batterien
10–
30 untereinander
in geeigneten Abständen,
vorzugsweise gemäß Steuerung
durch die Batterieüberwachungseinrichtung
60', ausgetauscht,
wobei hier jedoch ein gegenüber
Tabelle 1 vereinfachtes Austauschschema angewandt werden kann, wie
es in Tabelle 2 dargestellt ist: Tabelle
2:
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Da
kein Spannungsabgriff bei U1 erfolgt, sind die Ursprungspositionen
der Batterien 10 und 20 gemäß 2 in Bezug
auf den Energiedurchsatz gleichwertig, so dass zwei der Vertauschungsoperationen
von Tabelle 1 entfallen können.
Bei dem Austauschschema gemäß Tabelle
2 werden in der ersten Vertauschungsoperation die Positionen der
ersten Batterie 10 und der dritten Batterie 30 getauscht.
In der zweiten Vertauschungsoperation erfolgt wieder ein Übergang
in die ursprünglichen
Positionen als Vorbereitung dafür,
dass in der dritten Vertauschungsoperation die zweite Batterie 20 mit
der dritten Batterie 30 vertauscht wird. Die Ausgangskonfiguration
wird gemäß Tabelle
2 nach insgesamt 4 Vertauschungsoperationen erreicht.
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In 4 ist
ein zu der Schaltungsanordnung 200 von 3 analoges
Anschlussschema der Batterien 10–30 dargestellt, mittels
dem das Austauschschema von Tabelle 2 realisierbar ist. Gemäß 4 weisen
die erste Batterie 10 und die zweite Batterie 20 über je zwei
Zwei-Wege-Schalter 13 und 14 (für die erste
Batterie 10) mit Schaltkontakten 13a–b bzw. 14a–b bzw. 23 und 24 (für die zweite
Batterie 20) mit Schaltkontakten 23a–b bzw. 24a–b nur zwei
mögliche
Positionen (U3 sowie U1 oder U2) auf, wohingegen die dritte Batterie 30 über zwei
Drei-Wege-Schalter 33 und 34 mit Schaltkontakten 33a–c bzw. 34a–c wie in
dem Anschlussschema von 2 drei mögliche Positionen (U1, U2 und
U3) annehmen kann.
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Auch
gemäß 3 und 4 wird
durch Änderung
der Reihenfolge der Batterien 10–30 in der Reihenschaltung
gemäß Steuerung
durch die Batterieüberwachungseinrichtung 60' ein gleichmäßiger Energiedurchsatz
der Batterien 10–30 und
eine etwa gleiche Lebensdauer gewährleistet.
