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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Gleichspannungs-Bordnetzes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem in dem Gleichspannungs-Bordnetz angeordneten Gleichspannungswandler, der auf einer Eingangsseite von wenigstens einer elektrischen Energiequelle gespeist wird, und der auf einer Ausgangseite mehrere spannungsstabilisierende elektrische Ausgänge aufweist, die jeweils mit einem Teil-Bordnetz mit daran angeschlossenen elektrischen Verbrauchern verbunden sind.
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Die zunehmende Elektrifizierung in Kraftfahrzeugen, insbesondere die Zunahme von Hochstromverbrauchern, führt vermehrt zu starken Spannungsschwankungen im Bordnetz, die entsprechende Gegenmaßnahmen zur Spannungsstabilisierung erfordern.
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Es sind Bordnetze für Kraftfahrzeuge mit unterschiedlich geschalteten Versorgungspfaden, die beispielsweise mit geschalteten Klemmen realisiert werden können, bekannt. Entsprechend den angeschlossenen Verbrauchern, bzw. Energiesenken und diesen Komponenten zugehörigen Kundenfunktionen, können Teil-Bordnetze ausgebildet sein, die sensibel auf Spannungsschwankungen reagieren, beispielsweise mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern, bzw. in welchen Spannungsschwankungen für den Kunden sichtbar sind, beispielsweise in Form eines Flackerns von Beleuchtungseinrichtungen. In anderen Teil-Bordnetzen, beispielsweise mit Klimaeinrichtungen und Heizungen, sind Spannungsschwankungen weniger bemerkbar, bzw. eher nicht relevant.
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Weiterhin sind für Gleichspannungsbordnetze bzw. Gleichspannungsversorgungen Gleichspannungswandler, kurz DC/DC-Wandler, mit spannungsstabilisierenden Eigenschaften bekannt, die insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Zweispannungsbordnetzen, beispielsweise einem 42 V/14 V-Bordnetz, und bei Hybridfahrzeugen vorgesehen sind, um eine Eingangsspannung in eine niedrigere oder höhere Ausgangsspannung zu transformieren, wobei der elektrische Ausgang derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung, d. h. die Spannung auf dem Ausgangszweig wenigstens annähernd konstant gehalten wird. Üblicherweise weisen derartige DC/DC-Wandler nur einen Eingang und einen Ausgang auf. DC/DC-Wandler mit mehreren Ausgängen sind im Bereich der Mikroelektronik (Konsumelektronik, PC-Technik) verbreitet. Aus der
EP 1 049 240 B1 und der
DE 102 03 033 A1 sind jedoch auch schon DC/DC-Wandler bzw. Wandler-Anordnungen mit mehreren geregelten Ausgängen bekannt, die zur Verwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen, bzw. geeignet sind. Diese DC/DC-Wandler können separate Ausgänge für Teil-Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungslagen und Leistungsbedarfen zur Verfügung stellen, so dass damit eine separate Spannungsstabilisierung verschiedener Teil-Bordnetze möglich ist.
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Nachteilig daran ist, dass ein Lastsprung, d. h. eine Änderung der Leistung in einem Ausgangszweig, mit der Folge der Spannungsstabilisierung an dem zugehörigen Ausgang, auf der Eingangsseite des DC/DC-Wandlers einen entsprechenden Leistungssprung verursacht. Bei Automotiv-Anwendungen, bei der die Eingangsseite in der Regel mit einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator versorgt wird, ergibt sich dann zwangsweise ein mechanischer Lastschlag am Verbrennungsmotor. Die zunehmende Komplexität des Bordnetzes mit einer Vielzahl von Verbrauchern und Steuergeräten führt zu immer häufigeren derartigen Lastsprüngen. Dies macht sich durch Komforteinbußen im Fahrbetrieb bemerkbar. Insbesondere verschlechtert sich die, als ein wichtiges Kundenkriterium geltende, Leerlaufqualität des Motors durch einen unrunden Leerlauf. Befinden sich auf der Eingangsseite weitere Nebenaggregate oder zusätzliche Energiespeicher, wirken die Lastsprünge letztlich auch auf diese Komponenten. Dies kann zu einem erhöhten Verschleiß und einer Verringerung der Lebensdauer dieser Komponenten führen.
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Die Dokumente
DE 10232539 A1 und
DE 10145270 A1 offenbaren jeweils eine Spannungsstabilisierung in einem Bordnetz mit Angleichung von benötigter und verfügbarer elektrischer Leistung mit die Versorgungsleistung erhöhenden und/oder verbrauchsmindernden Maßnahmen.
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Das Dokument
DE 10149105 A1 offenbart ein Bordnetz mit einem spannungsstabilen und einem spannungslabilen Teilnetz. Diese sind über einen Längsregler in Reihe verbunden, wobei die Spannung im spannungsstabilen Energienetz so geregelt wird, dass sie einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Stabilisierung eines Bordnetzes mit einem spannungsstabilisierenden Gleichspannungswandler anzugeben, bei dem ein hoher Betriebskomfort gewährleistet wird und bei dem ein Komponentenverschleiß im Bordnetz verringert wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, einen Bordnetzzweig bzw. ein Teil-Bordnetz, auf dem eine Spannungsschwankung bzw. eine Leistungsschwankung keinen direkten Einfluss auf die Produktqualität hat, dafür zu nutzen, einen Lastsprung auf einem sensiblen Bordnetzzweig durch Ändern der Spannung bzw. der Last auf diesen Zweig so umzuleiten, dass die Stabilisierung auf dem sensiblen Zweig wie üblich an dem zugehörigen Ausgang erfolgt und dennoch der Lastsprung auf der Eingangsseite so gering wie möglich gehalten wird. Dies wird über Steuerungsmittel realisiert, die nahezu gleichzeitig als eine Reaktion auf einen Lastsprung einen entsprechenden gegenläufigen Lastsprung an dem insensiblen Zweig erzeugen, dessen Stabilisierung an dem zugehörigen Ausgang wiederum zu einem gegenläufigen Lastsprung auf der Eingangsseite führt. Beispielsweise wird eine sprungartige Leistungserhöhung auf einem sensiblen Teil-Bordnetz durch eine sprungartige Leistungsabsenkung auf einem insensiblen Teil-Bordnetz ausgeglichen. Gleichen sich diese gegenläufigen Lastsprünge, die auf den Eingangszweig durchgeleitet werden, aus, so wird ein Lastschlag, insbesondere ein mechanischer Lastschlag am Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges, verringert oder vermieden. Dadurch wird eine Komfort- und damit ein Produktqualitätsverbesserung erreicht. Insbesondere kann die Leerlaufqualität des Verbrennungsmotors verbessert werden, da Lastschläge und damit ungünstige Drehzahlschwankungen bei Leerlaufdrehzahlen wesentlich reduziert werden. Entsprechend werden ggf. weitere Aggregate und Energiespeicher auf der Eingangsseite weniger belastet, was sich verschleißmindernd auswirkt:
Es ist möglich, die Lastsprünge teilweise oder sogar vollständig auszugleichen. Dies kann durch eine dynamische oder eine statische Kompensation erfolgen.
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Bei einer statischen Kompensation erfolgt, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die Kompensation der Lastsprünge im Wesentlichen mittels einer Variation der Ausgangsspannung wenigstens eines Ausgangs des Gleichspannungswandlers. Durch die Variation der Ausgangsspannung kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Leistungsaufnahme des jeweiligen Teil-Bordnetzes verändert werden, da auf den Teil-Bordnetzen eine mehr oder weniger ausgeprägte Spannungsabhängigkeit vorhanden ist. Ein Lastsprung-Ausgleich erfolgt hier beispielsweise in Form einer Rechteckfunktion.
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Bei einer dynamischen Kompensation wird, wie bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, ein zeitliches Ansprechverhalten der wenigstens einen elektrischen Energiequelle berücksichtigt. Dabei wird gezielt ausgenutzt, dass bestimmte Systeme zur Erzeugung elektrischer Energie, diese nur mit einer Verzögerung bereitstellen können. Dies gilt beispielsweise für die Bereitstellung eines Drehmomentes beim Verbrennungsmotor oder für das Hochfahren einer Brennstoffzelle. Ein Lastsprung-Ausgleich erfolgt dabei beispielsweise in Form einer Rampenfunktion.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kompensation der Lastsprünge über eine Ansteuerung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers mit Hilfe einer Datenkommunikation über einen Datenbus. Denkbar ist eine schnelle Datenkommunikation, bei der bestimmte Verbraucher, bzw. Steuergeräte angesteuert werden, um einen gewünschten Lastsprung auf einem insensiblen Teil-Bordnetz erzeugen. Eine derartige Kommunikation kann besonders vorteilhaft in einem Bordnetz realisiert werden, dass auf einer Master-Client-Systemarchitektur mit einer bidirektionalen Kommunikation beruht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kompensation der Lastsprünge mit Hilfe eines dem Gleichspannungswandler zugeordneten Lernalgorithmus. Über den Lernalgorithmus kann eine Leistungscharakteristik wenigstens eines zur Kompensation der Lastsprünge verwendeten spannungsschwankungs-insensiblen Teil-Bordnetzes ermittelt werden. Die Leistungscharakteristik kann auch aus der Summe von Einzelcharakteristiken von für die Kompensation der Lastsprünge relevanten elektrischen Verbrauchern abgeleitet werden. Vorzugsweise wird dafür die oben erwähnte schnelle Datenkommunikation eingesetzt.
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Die Leistungscharakteristik eines Teil-Bordnetzes, bzw. eines Verbrauchers beschreibt eine Funktion, in der die Leistungsaufnahme über der Betriebsspannung aufgetragen ist. Diese Funktion kann mit Hilfe des Lernalgorithmus in dem jeweiligen Teil-Bordnetz ermittelt werden. Durch diese Leistungscharakteristik wird ein zusätzliches Steuerungsmittel zur Verfügung gestellt, mit dem eine noch effizientere Spannungs- bzw. Leistungsregelung für die Lastsprung-Kompensation ermöglicht wird.
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Bei einem Gleichspannungswandler, der über mehrere Eingänge verfügt, die von mehreren elektrischen Energiequellen gespeist werden, ist es vorteilhaft, wie bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die aufgrund von elektrischen Lastsprüngen variierenden elektrischen Leistungsbedarfe, auf die mehreren elektrischen Energiequellen zu verteilen. Dadurch werden insbesondere mögliche mechanische Lastschläge auf den Verbrennungsmotor weiter abgeschwächt und der Fahrkomfort weiter erhöht.
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Schließlich bietet das erfindungsgemäße Stabilisierungsverfahren, nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die Möglichkeit einer erweiterten Diagnose innerhalb des Bordnetzes. Dies kann über eine Überwachung der Lastsprung-Kompensationen und/oder mit Hilfe der ermittelten Leistungscharakteristiken der Teil-Bordnetze bei einer Diagnose der Stabilitätseigenschaften des Bordnetzes realisiert werden. Durch Einführen einer Stabilitätsschwelle als ein Stabilitätskriterium und diesem zugehörigen zeitabhängigen Parametern wie Frequenz und Auftretenswahrscheinlichkeit, wird beispielsweise eine Aussage über einen Bordnetzzustand generiert, die die üblicherweise vorhandenen Diagnoseumfänge ergänzt. Diese Zusatzinformation kann beispielsweise für Plausibilitätsprüfungen oder als eine weitere sogenannte Umweltbedingung für Fehlerspeichereinträge herangezogen werden.
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Die bekannten Vorrichtungen zur Stabilisierung eines Gleichspannungs-Bordnetzes haben die oben beschriebenen Nachteile.
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Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Bordnetzen zu schaffen, mit der verschleißrelevante und komfortbeeinträchtigende Lastschläge reduzierbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
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Durch die Steuerungs-Software kann auf kostengünstige Weise, auf einen Lastsprung in einem als spannungssensibel vorgegebenen Teil-Bordnetz, eine Ausgleichsreaktion auf einem anderen für Spannungsschwankungen nicht relevanten, d. h. insensiblen Teil-Bordnetz ausgelöst werden. Diese Ausgleichsreaktionen sind ohne zusätzliche Hardware-Komponenten und damit besonders kostengünstig, durch spannungs- und lastregelnde Maßnahmen realisierbar. Insbesondere kann durch Variieren der an dem jeweiligen Ausgang des Gleichspannungswandlers anliegenden Ausgangsspannung die Leistungsaufnahme des jeweiligen Teil-Bordnetzes variiert werden. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, über die Software Ausgleichsfunktionen, beispielsweise Rechteckfunktionen oder Rampenfunktionen, in denen ein zeitlicher Verlauf der Leistungsaufnahme definiert wird; frei zu skalieren, die statisch oder dynamisch, vollständig oder teilweise ausgleichend auf die Lastsprünge wirksam sind. Dies ermöglicht eine sehr flexible Anpassung an die Anforderungen verschieden aufgebauter Bordnetze und bei Veränderungen/Erweiterungen einzelner Bordnetzzweige. Die Regelungsmöglichkeiten können durch Lernalgorithmen zur Ermittlung von Leistungscharakteristiken von Verbrauchern/Bordnetzbereichen, die dem Gleichspannungswandler für jedes Teil-Bordnetz zugeordnet werden, noch weiter verfeinert werden. Besonders effektiv kann die Ermittlung der Leistungscharakteristiken über eine schnelle Datenkommunikation zwischen den Busteilnehmern (Verbraucher/Steuergeräte) in einer Master-Client-Bordnetzsystemarchitektur über ein CAN-Datenbus-System erfolgen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1: Ein Blockschaltbild eines Bordnetzes mit einem Gleichspannungswandler und Teil-Bordnetzen,
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2: ein Diagramm zur Darstellung eines vollständigen Lastsprung-Ausgleichs,
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3: ein Diagramm zur Darstellung eines teilweisen Lastsprung-Ausgleichs, und
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4: ein Diagramm zur Darstellung eines dynamischen Lastsprung-Ausgleichs.
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Die 1 zeigt ein Gleichspannungs-Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeuges mit einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 2. Der DC/DC-Wandler 2 weist auf einer Eingangsseite 20 zwei Eingänge 3, 4 und auf einer Ausgangsseite 21 drei spannungsstabilisierte Ausgänge 5, 6, 7 auf. Der erste Eingang 3 wird von einer ersten elektrischen Energiequelle 8 gespeist, die als ein Generator ausgebildet ist. Der Generator 8 ist in an sich bekannter Weise von einem Verbrennungsmotor 9 antreibbar. Der zweite Eingang 4 ist von einer als eine Brennstoffzellen-Einheit ausgebildeten zusätzlichen elektrischen Energiequelle 10 speisbar. An den Ausgängen 5, 6, 7 sind drei Teil-Bordnetze 11, 12, 13 angeschlossen. Die drei Ausgänge 5, 6, 7 sind über den DC/DC-Wandler 2 jeweils separat spannungsstabilisiert. Das erste Teil-Bordnetz 11 ist als ein spannungsschwankungs-sensibler Bordnetzzweig, und das dritte Teil-Bordnetz 13 als ein vergleichsweise spannungsschwankungs-insensibler Bordnetzzweig ausgebildet. Das erste Teil-Bordnetz 11 stellt relativ hohe Stabilitätsanforderungen, das dritte Teil-Bordnetz 13 eher niedrige Stabilitätsanforderungen. Das zweite Teil-Bordnetz 12 bildet einen Bordnetzzweig mit mittleren Stabilitätsanforderungen. Weiterhin ist dem DC/DC-Wandler 2 eine als ein Energieverteiler wirksame Steuerungseinrichtung 14 mit einer Steuerungssoftware zugeordnet.
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Ein Verfahren zur Stabilisierung eines Gleichspannungs-Bordnetzes 1 mit einem Gleichspannungswandler 2, der eingangsseitig über zwei Eingänge 3, 4 von zwei Energiequellen 8, 10 gespeist wird, und der ausgangsseitig drei spannungsstabilisierende elektrische Ausgänge 5, 6, 7 aufweist, an die drei Teil-Bordnetze 11, 12, 13 angeschlossen sind, beruht im Wesentlichen auf einer Kompensation von auf die Energiequellen 8, 10 wirksamen Leistungs- bzw. Lastschlägen, durch Umleiten von elektrischen Lastsprüngen in dem spannungsschwankungssensiblen Teil-Bordnetz 11 auf das spannungsschwankungs-insensible Teil-Bordnetz 13.
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Die 2 zeigt ein Diagramm bei einem vollständigen Ausgleich eines elektrischen Lastsprungs, in drei Teil-Diagrammen. Darin ist die elektrische Leistung 15 im Bordnetz 1 über der Zeit 16 aufgetragen. In 2a ist ein rechteckförmiger elektrischer Lastsprung 17 in dem sensiblen Teil-Bordnetz 11 dargestellt. Dieser Lastsprung führt an dem Ausgang 5 zu einer entsprechenden Spannungsschwankung. Um zu verhindern, dass diese Spannungsschwankung zu einem Lastsprung an dem Generator 8 und damit zu einem mechanischen Lastschlag am Verbrennungsmotor 9 führt, wird als eine Reaktion auf diese sprungartige Leistungsanhebung ein gegensinniger Lastsprung 18, d. h. eine sprungartige Leistungsabsenkung, auf dem insensiblen Teil-Bordnetz 13 erzeugt (2b). Dies kann mittels einer Steuerungssoftware über eine entsprechende Spannungs- bzw. Lastabsenkung an dem Ausgang 7 erfolgen. Da die Lastsprünge 17, 18 sich vollständig ausgleichen, bleibt die Lastkurve an den Eingängen 3, 4 des Gleichspannungswandlers 2 konstant, d. h. der resultierende Lastsprung 19 ist Null (2c). In der Folge bleibt insbesondere die Leerlaufqualität des Verbrennungsmotors 9 unbeeinträchtigt.
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Die 3 zeigt ein Diagramm bei einem teilweisen Ausgleich eines elektrischen Lastsprungs. Der Lastsprung 17 (3a) auf dem sensiblen Teil-Bordnetz 11 wird durch einen geringeren gegensinnigen Lastsprung 18' (3b) auf das Teil-Bordnetz 13 umgeleitet. Als eine Reaktion (3c) wird ein geringerer Lastsprung 19' an die Eingänge 3, 4 durchgereicht.
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Die 4 zeigt ein Diagramm bei einem dynamischen Ausgleich eines elektrischen Lastsprungs. Wiederum ist der Lastsprung 17 in 4a dargestellt. Auf dem insensiblen Teil-Bordnetz 13 wird ein kompensierender Lastsprung 18'' erzeugt, bei dem die elektrische Leistung auf diesem Teil-Bordnetz 13 zunächst zackenförmig abfällt und nach einem konstantem Plateau ohne Lastveränderung gegenüber dem Lastsprung 17 schließlich zackenförmig ansteigt (4b). Dieser Kurvenverlauf berücksichtigt das verzögerte Ansprechverhalten der Energiequellen 8 und 9 oder mindestens des Generators 8, auf die Leistungsanforderung über den spannungsstabilisierenden Ausgang 5 des sensiblen Bordnetzbereiches 11. Als Resultat ergibt sich eingangsseitig ein Lastsprung 19'' (4c), der allmählich ansteigt, bzw. wieder abfällt und damit ein deutlich abgeschwächter Lastsprung an den Energiequellen 8, bzw. 9 und ein entsprechend abgeschwächter Lastschlag an dem Verbrennungsmotor 9, der dadurch insbesondere in seinem Leerlaufverhalten kaum merklich beeinflusst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleichspannungs-Bordnetz
- 2
- Gleichspannungswandler
- 3
- Eingang
- 4
- Eingang
- 5
- Ausgang
- 6
- Ausgang
- 7
- Ausgang
- 8
- Energiequelle
- 9
- Verbrennungsmotor
- 10
- Energiequelle
- 11
- Teil-Bordnetz
- 12
- Teil-Bordnetz
- 13
- Teil-Bordnetz
- 14
- Steuerungseinrichtung
- 15
- Koordinatenachse der elektrischen Leistung
- 16
- Koordinatenachse der Zeit
- 17
- Lastsprung
- 18, 18', 18''
- Lastsprung
- 19, 19', 19''
- Lastsprung
- 20
- Eingangsseite
- 21
- Ausgangsseite
