DE102005060129A1

DE102005060129A1 - Verfahren zum Steuern eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005060129A1
Application number: DE102005060129A
Authority: DE
Inventors: Frank Przywecki
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-21
Also published as: US7615879B2; US20070141999A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einem Mehrspannungsgenerator, der mindestens ein erstes und ein zweites Teilnetz mit jeweils mehreren elektrischen Verbrauchern versorgt, wobei das erste und das zweite Teilnetz eine erste bzw. eine zweite Spannung aufweisen und über eine Parallelschaltung aus einem Spannungswandler und einem Längsregler miteinander gekoppelt sind. DOLLAR A Um die angebotene elektrische Leistung optimal zu nutzen und insbesondere die Versorgung von großen Verbrauchern wie die Frontscheibenheizung zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß den mehreren elektrischen Verbrauchern jeweils eine eigene Priorität zugewiesen, und die elektrischen Verbraucher werden in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Priorität versorgt, so dass die Summe der Verbraucherleistungen einen vorgegebenen Leistungswert des Generators nicht übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Zur Versorgung von unterschiedlichen Verbrauchern über ein Netz weisen in jüngerer Zeit entwickelte Bordnetze für Kraftfahrzeuge außer einem ersten noch ein zweites Spannungsniveau auf. Dabei sind das erste und das zweite Spannungsniveau über einen Spannungswandler miteinander gekoppelt. An dem ersten Teilnetz mit der niedrigeren Nennspannung (z.B. 14 V) sind in der Regel Verbraucher mit niedriger Leistungsaufnahme angeschlossen. An dem zweiten Teilnetz mit der höheren Nennspannung (z.B. 42 V) sind in der Regel Hochleistungsverbraucher wie Heizungen, eine elektrische Servolenkung, elektromotorische Bremsen, etc. angeschlossen. Niederspannungsverbraucher können in kritischen Betriebssituationen (z.B. Stoßbetrieb) wahlweise aus dem zweiten Teilnetz versorgt werden.

Der Generator ist ein sogenannter Mehrspannungsgenerator (Multi-Voltage-Generator, MVG), der je nach an seiner Erregerspule anliegender Spannung eine hohe oder eine niedrige Spannung erzeugt und die beiden Teilnetze mit elektrischer Leistung versorgt. Während der Generator einerseits das Teilnetz mit höherer bzw. variabler Spannung direkt versorgt, erfolgt die Versorgung des Teilnetzes mit niedriger Spannung über einen geregelten Spannungs-(DC/DC-)Wandler. Ist die Versorgung des Teilnetzes mit hoher oder variabler Spannung nicht mehr erforderlich, wird der Generator auf die niedrigere Spannung des zweiten Teilnetzes zurückgeregelt und der Spannungswandler durchgeschaltet.

Spannungswandler sind aufwendig in der Konstruktion und teuer in der Herstellung. So sind beispielsweise die benötigten Bauteile wie Glättungskondensatoren und Speicherspulen für hohe Temperaturen nicht geeignet. Außerdem müssen Maßnahmen für die Entstörung getroffen werden, da in DC/DC-Wandlern hohe Ströme mit sehr steilen Flanken geschaltet werden. Die Baugröße der DC/DC-Wandler muss auf eine Maximalleistung auslegt werden, obwohl die Maximalleistung in einem Kraftfahrzeug nur selten geschaltet zu werden braucht.

Im Stand der Technik wurde daher vorgeschlagen, parallel zu dem Spannungswandler einen Längsregler vorzusehen, um den DC/DC-Wandler zu entlasten und daher kleiner und kostengünstiger auslegen zu können. Längsregler sind robust und haben eine große Temperaturstabilität. Sie können über das Motorkühlwasser gekühlt werden. Ihre Störabstrahlung ist gering.

Ein derartiger Aufbau ist aus DE 102 62 000 bekannt. Dieser Stand der Technik beschreibt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem ersten und einem zweiten Spannungsniveau und einem Generator, wobei das erste und das zweite Spannungsniveau über eine erste Koppelvorrichtung miteinander gekoppelt sind, wobei die erste Koppelvorrichtung einen Längsregler umfasst. Das Bordnetz umfasst weiterhin eine erste Regelvorrichtung, die den Längsregler unter Berücksichtigung der zukünftigen Belastung des zweiten Spannungsniveaus ansteuert.

Bei diesem Stand der Technik stellt sich jedoch das Problem, dass der Generator im Leerlauf nur wenig mehr Leistung zur Verfügung stellen kann als ein normaler 14-Volt-Generator. Erst bei Erhöhung der Drehzahl steigt die Leistung des Generators, bis die maximale Spannung bzw. Leistung erreicht ist. Das bedeutet, dass nicht in jedem Betriebszustand des Fahrzeugs alle Verbraucher gleichzeitig bedient werden können, da die Leistung des Generators von der Motordrehzahl abhängt.

Die elektrische Energie muss also möglichst intelligent verteilt werden, wobei der Sicherheit, den gesetzlichen Vorschriften und Komfortvorgaben Rechnung getragen werden muss.

Insbesondere macht sich diese Notwendigkeit anhand der Frontscheibenheizung bemerkbar. Eine Frontscheibenheizung in Form einer bedampften Folie kann nicht mit 14 V betrieben werden, da der Widerstand der Folie nicht beliebig verringert werden kann. Daraus folgt bei zu niedriger Spannung eine zu geringe Leistung. Die Abtaufunktion ist daher eingeschränkt. Zwar kann der Generator durch den zusätzlichen Freiheitsgrad der variablen Spannung mehr Leistung zur Verfügung stellen, allerdings ist auch die maximale Leistung im Leerlauf beschränkt. So dass nur mit intelligenter Energieverteilung eine Frontscheibenheizung durch die variable Generatorspannung im Leerlaufnahen Bereich bedient werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die optimale Nutzung der angebotenen elektrischen Leistung gewährleistet und insbesondere die Versorgung von großen Verbrauchern wie die Frontscheibenheizung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Steuern eines Bordnetzes nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe beruht im wesentlichen darauf, eine intelligente Energieverteilung zu schaffen, indem die einzelnen Verbraucher mit einer Versorgungspriorität versehen werden, das heißt, dass eine "Priorisierung" vorgenommen wird. Dabei wird von einer momentanen Generatorleistung ausgegangen, und diese wird optimal auf die angeschlossenen Verbraucher verteilt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einem Mehrspannungsgenerator, der mindestens ein erstes und ein zweites Teilnetz mit jeweils mehreren elektrischen Verbrauchern versorgt, wobei das erste und das zweite Teilnetz eine erste bzw. eine zweite Spannung aufweisen und über eine Parallelschaltung aus einem Spannungswandler und einem Längsregler miteinander gekoppelt sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass den mehreren elektrischen Verbrauchern jeweils eine eigene Priorität zugewiesen wird und die elektrischen Verbraucher in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Priorität versorgt werden, so dass die Summe der Verbraucherleistungen einen vorgegebenen Leistungswert des Generators nicht übersteigt.

Insbesondere ist eines oder sind soweit technisch möglich mehrere der folgenden Merkmale erfüllt:
ein alter Verbraucher wird durch einen neuen Verbraucher ersetzt,

– wenn die Priorität des alten Verbrauchers unter der Priorität des neuen Verbrauchers liegt und
– die Summe der Verbraucherleistungen einschließlich des neuen Verbrauchers den vorgegebenen Leistungswert überschreitet;

der Leistungswert des Generators entspricht der momentanen Leistung des Generators;
der Leistungswert des Generators entspricht der Summe der Verbraucherleistungen, soweit die die Priorität der Verbraucher über einer vorgegebenen Schwellenpriorität liegt, wobei die Generatorleistung angehoben wird durch wenigstens einen der folgenden Schritte:

– Boosten des Generators,
– Anpassen der Leerlaufdrehzahl des Motors und
– Boosten des Spannungswandlers;

die Priorität der Verbraucher wird dynamisch in Abhängigkeit von Fahr- und Umweltparametern bestimmt.

Dabei bedeutet das Boosten des Generators, dass dieser im kalten Zustand überlastet wird, indem die Spannung an der Erregerwicklung des Generators überhöht wird. Das Anpassen der Leerlaufdrehzahl läuft im wesentlichen auf eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl hinaus, um die Spannung des Generators entsprechend zu erhöhen. Das Boosten des Spannungswandlers wird ebenfalls durch eine bewusste Überlastung des Wandlers im kalten Zustand erreicht.

Die Erfindung hat u.a. den Vorteil, dass überhaupt die Möglichkeit geschaffen wird, eine Frontscheibe, die mit bedampfter Folie beklebt ist, elektrisch beheizen zu können, auch wenn die Leistungsabgabe des Generators sich an der unteren Grenze befindet. Darüber hinaus kann der Innenraum schneller aufgeheizt werden, als es mit der Heiz-/PTC-Technik nach dem Stand der Technik möglich ist. – Ferner wird bei der Verwendung von rekuperativer Energie zur Katalysatorheizung, Fahrgastzellenheizung, Frontscheibenheizung das konventionelle elektrische Bordnetz geringer belastet. In der Folge verbessert sich die Ladebilanz der Batterie bei gleichzeitiger Erhöhung der Batterielebensdauer durch verringerte Zyklisierung. – Auch der Klimakomfort verbessert sich dadurch, dass eine höhere elektrische Leistung auch im niedrigen Motordrehzahlbereich zur Verfügung steht. – Nicht zuletzt wird die Sicherheit dadurch verbessert, dass die Frontscheibenheizung mit sehr hohem Komfort versorgt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, bei der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
1 zeigt schematisch den Schaltplan eines Bordnetzes nach dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt die Energieverteilung im Fahrzeug, die sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellt.
In 1 ist ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs nach dem Stand der Technik gezeigt. In diesem Bordnetz erzeugt ein Generator in einer Generator-Motoreinheit 1 die Netzspannung und liefert den Strom für die an das Netz angeschlossenen Verbraucher. Die Generator-Motoreinheit 1 umfasst eine elektrische Maschine 1a mit einer Erregerspule 1b sowie einen bidirektionalen Gleichstrom-/Wechselstrom-Wandler (AC/DC-Wandler) 1c. Die Generator-Motoreinheit 1 kann aufgrund des bidirektionalen Wandlers 1c als Generator oder als Motor betrieben werden. Der Motor wird als Starter im Riementrieb genutzt. Die Ausgangsspannung und die Ausgangsleistung des Generators 1a ist über die Erregerspule 1b steuerbar. An dem Netz, das von dem Generator versorgt wird, sind in der Darstellung zwei Verbraucher 2 angeschlossen, die eine Spannung benötigen, die vom Generator direkt erzeugt wird. Beispielsweise sind dies eine Frontscheibenheizung und ein PTC-Heizelement. Allgemein sind mit dem Netz, das unmittelbar vom Generator 1a versorgt wird, diejenigen Verbraucher verbunden, bei denen Spannungsschwankungen zu keinen Funktionsbeeinträchtigungen führen, sondern höchstens Komfortnachteile mit sich bringen. Bei diesen Verbrauchern steht somit ein großer Regelbereich beispielsweise zwischen 14 und 42 V zur Verfügung, über den der Generator betrieben werden kann.
Andere Verbraucher an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges reagieren empfindlicher auf Spannungsschwankungen und müssen daher in einem eigenen, stabileren Netz betrieben werden. Dieses zweite Netz ist mit dem ersten Netz über einen Spannungswandler 3 gekoppelt, der in der 1 mit DC/DC bezeichnet ist und der im folgenden auch so bezeichnet wird. Der DC/DC-Wandler dient in erster Linie der Grundversorgung des zweiten Teilnetzes, solange die Spannung des ersten Netzes höher als die Spannung des zweiten Netzes ist. Der Spannungswandler ist in der Regel nicht für Leistungsspitzen ausgelegt. Der Spannungswandler ist abgeschaltet, wenn die Spannungen beider Netze identisch sind. Parallel zu diesem Spannungswandler 3 ist ein Längsregler 4 geschaltet, der die entsprechende Leistung zur Verfügung stellen soll, wenn der Bedarf über den Grundbedarf hinausgeht.
Die Verbraucher 5 in dem zweiten Netz benötigen eine konstante Versorgungsspannung und haben insbesondere einen relativ konstanten Leistungsbedarf.
Besondere Verbraucher in dem Kraftfahrzeug stellen die Aufladung einer Batterie 6 bzw. die Aufladung einer Speicherkapazität 7 dar. Während Ladevorgang und Stromabgabe bei der Batterie in der Regel gleichmäßiger ablaufen, dient die Speicherkapazität 7 zum kurzfristigen Schließen von Versorgungslücken, sie muss daher u.U. schnell und stark aufgeladen werden können. Aus diesem Grund ist die Batterie 6 mit dem zweiten Teilnetz verbunden, von dem die Verbraucher mit konstanterer Anforderung versorgt werden. Dagegen ist die Speicherkapazität direkt mit dem Generator 1a verbunden, wie auch z.B. die Frontscheibenheizung etc.
Im ersten Teilnetz, also in dem direkt mit dem Generator 1a verbundenen Teilnetz kann die Spannung insbesondere zum Aufladen der Speicherkapazität 7 extra angehoben werden. Unabhängig von diesem Anheben der Spannung im ersten Netz wird das zweite Netz von dem DC/DC-Wandler 3 und dem Längsregler 4 mit der zweiten Spannung versorgt, die konstant gehalten wird.
Die Steuerung des Bordnetzes mit dem Generator 1a wird durch eine Steuerung 8 vorgenommen. Die Steuerung 8 ist über Steuerleitungen 9 mit den einzelnen Verbrauchern 2, 5, 6 und 7 verbunden, um diese bei Bedarf ab- bzw. zuzuschalten.
Ferner ist die Steuerung 8 über Steuerleitungen 9 mit der Generator-Motor-Einheit 1 verbunden, um deren Leistungsabgabe zu steuern. Schließlich ist die Steuerung 8 mit dem Wandler 3 und dem Längsregler 4 verbunden, um die Versorgung des zweiten Teilnetzes in der erforderlichen Konstanz sicherzustellen. Die Steuerleitungen 9 sind zur Unterscheidung von stromführenden Leitungen gestrichelt dargestellt.
Die Steuerung 8 regelt die Leistungsabgabe des Generators 1a über die Erregerspule 1b. Wird eine hohe Spannung in dem ersten Teilnetz mit den Verbrauchern 2 benötigt, so wird durch die Steuerung 8 eine hohe Spannung an die Erregerspule 1b angelegt. Wird dagegen eine geringere Spannung in dem ersten Teilnetz benötigt, so wird die Spannung über der Erregerspule 1b verringert.
Die Steuerung 8 verhindert insbesondere, dass bei Überlastung das erste und zweite Teilnetz zusammenbrechen. Um dies zu verhindern, werden ein oder mehrere Verbraucher vom Netz genommen. Der Übersichtlichkeit halber sind die entsprechenden Schalter der einzelnen Verbraucher etc. in 1 nicht gezeigt.
Besonders hohe Anforderungen werden an die Stromversorgung dann gestellt, wenn die Generator-Motor-Einheit 1 als Starter-Generator im Riementrieb (SGR) betrieben wird. In diesem Fall wandelt der Wandler 1c in der Generator-Motor-Einheit 1 den Gleichstrom von der Batterie 6 bzw. der Speicherkapazität 7 in einen Wechselstrom. Zwischen beiden Betriebsarten, nämlich Generatorbetrieb und Motorbetrieb kann durch die Steuerung 8 umgeschaltet werden. Die Energie zum Antrieb des Motors und damit zum Starten wird durch die Speicherkapazität 7 bereitgestellt. Die Speicherkapazität 7 kann zusätzlich durch den bidirektional arbeitenden DC/DC-Wandler 3 aus der Batterie 6 aufgeladen werden. Sollte im Startfall die Energie der Speicherkapazität 7 nicht ausreichen, besteht die Möglichkeit die Energie zum Starten mit dem Starter-Generator im Riementrieb (SGR) über die (nicht dargestellten) parasitären Dioden im Längsregler 4 aus der Batterie 6 zu beziehen, sobald die Spannung an der Speicherkapazität 7 unter die Batteriespannung sinkt. Bei Verbrennungsmotoren mit zusätzlichem Ritzelstarter für den Kaltstart, besteht die Möglichkeit den SGR als Unterstützung im Kaltstart zu nutzen.
Um die von dem Generator 1a zur Verfügung stehende Energie möglichst gut zu nutzen, wird erfindungsgemäß das im folgenden anhand von 2 und 3 erläuterte Verfahren vorgeschlagen.
In 2 ist das Verfahren zur Verteilung der elektrischen Energie in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Verfahren beruht im Prinzip darauf, dass allen elektrischen Verbrauchern eine Priorität für die Versorgung zugewiesen wird (nicht dargestellt). In dem Verfahren wird in einem ersten Schritt 10 überprüft, ob ein neuer Verbraucher zugeschaltet werden soll, sei es als erster Verbraucher überhaupt oder als weiterer Verbraucher zusätzlich zu bereits versorgten Verbrauchern. Soll kein neuer Verbraucher V(neu) zugeschaltet werden, springt das Verfahren nach Schritt 10 zum Anfang zurück.
Wird dagegen in dem ersten Schritt 10 erkannt, dass ein neuer Verbraucher V(neu) zugeschaltet werden soll, beispielsweise weil die Betätigung einer entsprechenden Taste durch den Fahrer erkannt wurde, so wird in einem nachfolgenden Schritt 11 überprüft, ob die vom Generator erzeugte elektrische Leistung für die Versorgung aller Verbraucher ausreicht, d.h. aller bereits versorgten Verbraucher und außerdem des neu hinzu zu schaltenden Verbrauchers.
Im einzelnen wird Schritt 11 überprüft, ob ein vorgegebener Leistungswert des Generators durch das Zuschalten des neuen Verbrauchers überschritten würde. Der vorgegebene Leistungswert ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform die momentane Generatorleistung P(Gen). Ist diese größer oder wenigstens gleich der Summe aller Verbraucherleistungen einschließlich des zukünftigen Verbrauchers ist, d.h. gilt P(Gen) ≥ ΣP(V), so wird in Schritt 12 der neue Verbraucher zugeschaltet, und das Verfahren wird beendet. Es gibt keine Konfliktsituation.
Wird jedoch in Schritt 11 festgestellt, dass die angeforderte Leistung des Generators den vorgegebenen Leistungswert des Generators überschreitet, d.h. dass der Leistungswert des Generators für die Versorgung von allen Verbrauchern, die bereits mit dem Netz verbunden sind oder noch verbunden werden sollen, nicht ausreicht, so springt das Verfahren zu Schritt 13, in welchem die Priorität der einzelnen Verbraucher überprüft wird. Mit der Priorität wird festgelegt, welche Verbraucher vorrangig zu versorgen sind und welche Verbraucher nicht unbedingt versorgt werden müssen. Diese Priorität kann vorab für jedes Gerät festgelegt werden, jedoch wird sie in einer weiter unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für jedes Gerät dynamisch berechnet, so dass veränderten Fahrsituationen jeweils Rechnung getragen werden kann.
In Schritt 13 wird die Priorität des neu hinzukommenden Gerätes mit der aller anderen bereits versorgten Geräte verglichen. Stellt sich dabei heraus, dass das neu hinzukommende Gerät eine höhere Priorität hat als wenigstens eines der bereits versorgten Geräte, so wird das Gerät mit der niedrigeren Priorität vom Netz genommen und durch das neue Gerät ersetzt. Beide Vorgänge sind durch die Schritte 14 "Abwurf des alten Gerätes", und 15 "Zuschaltung des neuen Gerätes" in 2 dargestellt. Anschließend wird das Verfahren beendet.
Wird dagegen in Schritt 13 erkannt, dass die Priorität des neuen Gerätes unter der jedes der bereits angeschalteten Geräte liegt, so wird die Zuschaltung des neuen Gerätes in Schritt 16 verweigert. In einer (nicht dargestellten) bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhält der Fahrer in diesem Fall einen entsprechenden Hinweis, so dass er über das Abschalten bereits versorgter Geräte frei entscheiden kann.
Um das Risiko zu vermeiden, dass auf diese Art Geräte gar nicht eingeschaltet werden können, weil die Versorgung durch den Generator nur für besonders wichtige Geräte ausreicht, wird in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Mindestpriorität eingeführt. Dies wird im folgenden anhand von 3 erläutert. 3 ist eine Fortsetzung von 2 nach Schritt 13.
In Abhängigkeit von der Mindestpriorität Prio(Min) lässt sich entscheiden, ob der Leistungswert des Generators angepasst werden muss. Muss beispielsweise ein Verbraucher (E-Kat) mit voller Leistung betrieben werden oder müssen mehrere Verbraucher unbedingt eingeschaltet werden, so erkennt das System dies daran, dass die Prioritäten Prio(Vneu) all dieser Verbraucher über der Mindestpriorität Prio(Min) liegen. Anhand der Summe der Verbraucherleistungen wird in der Folge der Leistungswert des Generators der Summe der Verbraucherleistungen entspre chend eingestellt, soweit die Priorität der Verbraucher über der vorgegebenen Mindestpriorität Prio(Min) liegt. Daraufhin wird die Generatorleistung entsprechend angehoben.
In der Ausführungsform nach 3 wird in Schritt 13 überprüft, ob die Priorität des zuzuschaltenden Gerätes Prio(Vneu) größer oder gleich der Priorität aller bereits versorgten Geräte Prio(Valt) ist. Wenn in Schritt 13 festgestellt wird, dass die Priorität des zuzuschaltenden Gerätes Prio(Vneu) größer oder gleich der Priorität aller bereits versorgten Geräte Prio(Valt) ist, springt das Verfahren zu einem Schritt 17. Der Schritt 17 beinhaltet eine Abfrage, ob die Priorität des neuen Gerätes (und natürlich aller "alten" Geräte) über der Mindestpriorität liegt. Ist das nicht der Fall, so wird wie bei dem Verfahren nach 2 die Zuschaltung des neuen Gerätes verweigert, Schritt 16.
Wird dagegen in Schritt 17 festgestellt, dass alle Verbraucher einschließlich dem neu hinzukommenden eine höhere Priorität als die Mindestpriorität haben, so wird die Leistung des Generators 1a in Schritt 18 angehoben. Damit wird verhindert, dass unbedingt benötigte Geräte nicht eingeschaltet werden können, weil bereits andere Geräte versorgt werden müssen, deren Priorität relativ hoch ist. Dieser Fall trifft vorwiegend im leerlaufnahen Betrieb des Motors zu, wenn der Generator nicht seine volle Leistung bringen kann.
Als Maßnahmen in Schritt 18 für die Anhebung der Generatorleistung bieten sich an:

– Boosten des Generators,
– Anpassen der Leerlaufdrehzahl des Motors und
– Boosten des Spannungswandlers.

Durch die erste Maßnahme lässt sich eine größere elektrische Leistung bereitstellen, ohne dass die Motordrehzahl erhöht wird. Mit anderen Worten, durch das höhere Drehmoment des Generators bei gleich bleibender Rotationsgeschwindigkeit des Motors ist der Generator in der Lage, mehr elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen.
Durch das Anpassen der Leerlaufdrehzahl des Motors kann die Spannung des Generators erhöht werden, und damit kann außerdem eine höhere Leistungsabgabe des Generators bewirkt werden.
Eine weitere Art der Erhöhung der Ausgangsleistung des Generators ist die kurzzeitige Überlastung des Spannungswandlers. Dadurch wird der Strom durch den Längsregler und damit gleichzeitig die Verlustleistung im Längsregler verringert. Die Verringerung der Verlustleistung im Längsregler hat zur Folge, dass sich die Generatorspannung erhöht. Demzufolge steht für das erst Netz mit variabler Spannung mehr Leistung zur Verfügung.
Im folgenden werden der Ablauf und die Konsequenzen des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Beispielen aus der Praxis verdeutlicht. Es sind verschiedene Fahrzeugbetriebszustände dargestellt mit den jeweiligen Problemen und deren Abhilfemaßnahmen.
Beim Kaltstart des Fahrzeugs befindet sich der Motor längere Zeit im Leerlauf, z.B. weil der Fahrer erst die Scheiben von Eis und Schnee befreien muss. In diesem Fall sollen die Frontscheibenheizung und eine PTC-Heizung eingeschaltet werden. Da aber der Generator gerade im leerlaufnahen Betrieb keine sehr hohe Leistung abgeben kann, ist im Stand der Technik die gleichzeitige Versorgung der genannten Verbraucher nicht möglich.
Erfindungsgemäß wird die Priorität der einzelnen Verbraucher überprüft. In diesem Fall wird festgestellt, dass Vorrang die Aufheizung des E-Katalysators hat, um diesen schnell auf eine günstige Betriebstemperatur zu bringen und damit gute Emissionswerte zu gewährleisten. Folglich wird zunächst ausschließlich der E-Katalysator bedient, alle anderen Verbraucher werden noch nicht zugeschaltet, Schritt 16 in 2.
Wird von der Steuerung 8 erkannt, dass die Außentemperatur unter 0°C liegt, wird die Priorität der Verbraucher neu ermittelt, und insbesondere wird die Bedeutung der Frontscheibenheizung im Vergleich zum E-Katalysator angehoben. In diesem Fall liegen beide Prioritäten, d.h. die Priorität des E-Katalysators und die Priorität der Frontscheibenheizung über einer Mindestpriorität. Dies wird in Schritt 17, 3, festgestellt, und folglich wird in Schritt 18 die Generatorleistung – auch im Leerlauf – angehoben. Dies geschieht beispielsweise durch "Boosten" des Generators und Anheben der Drehzahl im Leerlauf. Hat der Generator aufgrund dieser Maßnahmen seine Leistung erhöht, so kann zusätzlich zu dem E-Katalysator auch die Frontscheibenheizung eingeschaltet werden.
Alternativ zum Anheben der Generatorleistung kann der Generator entlastet werden, indem die Speicherkapazität 7 zur Unterstützung zugeschaltet wird oder schließlich auch die Batterie 6 beansprucht wird. Ferner kann auf Seiten des Bordnetzes die Belastung von parallel geschaltetem DC/DC-Wandler und Längsregler variiert werden, um einen von beiden zu entlasten. Bei einer Entlastung des Längsreglers erhöht sich die Generatorspannung auf Grund der geringen Wärmeabgabe des Längsreglers in das Kühlwasser, so dass damit auch die Generatorleistung höher wird. Wenn dann ausreichend Energie zur Verfügung steht, kann die Frontscheibenheizung zugeschaltet werden.
Es versteht sich, dass die Maßnahmen für ein Anheben der Generatorleistung nach einer vorgegebenen Zeit überprüft werden, um eine unnötige Belastung des Generators zu vermeiden und um neue Prioritäten Rechnung zu tragen. Dies wird weiter unten in Zusammenhang mit 4 erläutert werden. So wird der E-Katalysator nach der vorgegebenen Zeit abgeschaltet, und die Frontscheibenheizung wird stattdessen mit der vollen zur Verfügung stehenden Leistung beaufschlagt. Sollte jedoch nicht die gesamte Leistung in die Frontscheibenheizung fließen können, können stattdessen einzelne Stränge eines PTC-Elements versorgt werden, mit denen weitere Fahrzeugabschnitte aufgeheizt werden können.
Setzt der Fahrer nach einem Kaltstart das Fahrzeug in Bewegung, kann daraus geschlossen werden, dass die Frontscheibe von Eis und Schnee befreit ist und die Sichtverhältnisse für ein sicheres Fahren gegeben sind. Daher wird die Frontscheibenheizung nun nicht mehr mit einer hohen Priorität bewertet. Da andererseits der Innenraum möglichst schnell mit PTC-Heizelementen auf eine Solltemperatur gebracht werden soll, wird die Priorität der Versorgung der PTC-Heizelemente relativ hoch bewertet. Eine Zuschaltung der PTC-Heizelemente ist somit in Schritt 13, 14, 15 möglich, wenn nicht die Generatorleistung in Schritt 11 sowieso als ausreichend angesehen wird.
Schwankungen der Generatorleistung aufgrund von Schwankungen der Motordrehzahl können dadurch aufgefangen werden, dass nicht alle PTC-Stränge gleichzeitig eingeschaltet werden, sondern dass je nach Generatorleistung einzelne Stränge der PTC-Heizung zu- und abgeschaltet werden.
Soweit immer noch eine hohe Generatorspannung für die Frontscheibenheizung notwendig ist, wird der Generator trotz zunehmender Drehzahl mit maximaler Auslastung betrieben.
Ist nach einem Kaltstart des Fahrzeugs die Frontscheibe frei und damit die Frontscheibenheizung aus, so können sich auf Grund der schwankenden Drehzahl die Generatorspannung und die PTC-Leistung in einem großen Bereich ändern. So beträgt die Leistung, die der Generator im Leerlauf für die PTC-Heizung bereitstellen kann, beispielsweise ca. 1 kW Heizleistung, während sie bei maximaler Drehzahl ca. 4,5 kW beträgt. Im Leerlauf erhält man eine höhere Generatorleistung durch die oben genannten Boostfunktionen. Oberhalb des Leerlaufs erfolgt kein Boosten des Generators, der DC/DC-Wandler wird nicht im Überlastbereich betrieben. Die höhere Generatorleistung stellt sich durch die höhere Drehzahl ein.
Wenn die Motordrehzahl eine bestimmte hohe Drehzahl erreicht, z.B. 1.500 Umdrehungen pro Minute, dann steigt die Spannung am Generator so hoch, dass die PTC-Leistung zu hoch wird und sich daher fühlbare Temperaturschwankungen ergeben. Um dann die PTC-Leistung zu senken, werden einzelne PTC-Stränge abgeschaltet oder wechselseitig ab- und zugeschaltet. Mit der weiter ansteigenden Spannung wird die Speicherkapazität 7 aufgeladen. Ferner kann bei Sitzbelegungserkennung mehr Wärmeleistung bei unbelegten Sitzplätzen zugeführt werden, damit die Insassen keinen nennenswerten Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Wenn die Motordrehzahl sinkt, werden alle PTC-Stränge zugeschaltet und die dann volle Speicherkapazität abgeschaltet, so dass im Leerlauf die maximale Pufferung durch die Speicherkapazität gewährleistet ist. Im Leerlauf steht dann die Ladung in der Speicherkapazität wieder zur Verfügung.
In 4 sind fünf mögliche Szenarien bezüglich der Aufteilung der Generatorleistung auf Verbraucher dargestellt.
In einem Zeitabschnitt zwischen t0 und t1 ist nur ein Verbraucher zu versorgen. Dieser Verbraucher, in dem obigen Beispiel aus der Praxis der E-Katalysator, hat aber einen großen Leistungsbedarf, der u.U. sogar über die momentane angebotene Generatorleistung hinausgeht. Daher ist hier die Leistung des Generators anzuheben, um dem Bedarf zu entsprechen, oder es sind weitere Stromquellen wie z.B. die Speicherkapazität 7 oder die Batterie 6 hinzuzuschalten.
Auch in dem Zeitabschnitt zwischen t1 und t2 ist der E-Katalysator als einziger Verbraucher zu versorgen, hier ist der Leistungsbedarf aber geringer als die angebotene Leistung. Die überschüssige Leistung des Generators wird daher in diesem Falle zur Aufladung der Speicher verwendet oder in Wärme umgewandelt oder in anderer Form verwendet.
Zwischen den Zeiten t2 und t3 sind mehrere Verbraucher am Netz, in der gezeigten Situation sind dies beispielsweise die Frontscheibenheizung 21, die Klimaanlage 22 (PTC-Heizung) und die Sitzheizung 23, die ebenfalls nicht die gesamte Energie benötigen, die vom Generator zur Verfügung gestellt wird. Die Priorität der Heizeinrichtungen nimmt von unten nach oben zu, so dass die Priorität der Klimaanlage 22 höher als die Priorität der Sitzheizung 23 ist und die Priorität der Frontscheibenheizung 21 höher als die der Klimaanlage 22 ist. Dies entspricht der Situation beim oben beschriebenen Kaltstart, bei dem das Fahrzeug steht (Warmlaufen im Leerlauf) und der Fahrer evtl. die Frontscheibe zunächst manuell von Eis und Schnee befreit.
Zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 sind die gleichen Verbraucher am Netz wie vorher zwischen t2 und t3, ihre Priorität hat sich aber geändert. Das Fahrzeug setzt sich in Bewegung, d.h. die Sichtverhältnisse haben sich gebessert. Die Priorität der Frontscheibenheizung ist nicht mehr so hoch, stattdessen wird mehr Wert gelegt auf Innenraumbeheizung, d.h. Heizen mit der Klimaanlage 22, die die höchst Priorität hat, und Betätigen der Sitzheizung 23. Hier wurde also aufgrund geänderter Fahre- und Umweltparameter die Priorität neu, d.h. dynamisch festgesetzt. Auslöser dafür kann ein Schaltvorgang sein oder das Erkennen neuer Umwelteinflüsse, beispielsweise Anstieg der Temperatur über einen vorgegebenen Schwellenwert, aufgrund dessen die Wichtigkeit des Heizvorgangs zurückgesetzt wird.
Zwischen t4 und t5 wird die Frontscheibenheizung 22 abgeschaltet, so dass nunmehr nur noch die Klimaanlage 22 und die Sitzheizung 23 am Netz sind, die überschüssige Energie wird wieder für sekundäre Aufgaben eingesetzt.
Auf diese Art lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in allen Ausführungsformen die im Netz angebotene Energie intelligent und damit optimal nutzen.

1: Generator-Motor-Einheit: 1a Generator, 1b Erregerspule, 1c Wandler
2: Verbraucher an erstem Teilnetz
3: DC/DC-Wandler
4: Längsregler
5: Verbraucher an zweitem Teilnetz
6: Batterie
7: Speicherkapazität
8: Steuerung
9: Steuerleitungen
10: Abfrage: soll neuer Verbraucher V(neu) zugeschaltet werden?
11: Abfrage: reicht Leistung für neuen Verbraucher aus?
12: Zuschaltung von neuem Verbraucher V(neu)
13: Abfrage: Priorität des neuen höher als die eines alten Verbrauchers?
14: Abwurf von altem Verbraucher
15: Zuschaltung von neuem Verbraucher, möglichst gleiche Leistung
16: Zuschaltung verweigert
17: Abfrage: Priorität von neuem Verbraucher über Mindestpriorität?
18: Anheben von Generatorleistung
19: aktuelle Generatorleistung
20: erster Verbraucher (E-Kat-Heizung)
21: Leistungsdispersion: Ladevorgang bzw. Wärmeumwandlung
22: zweiter Verbraucher
23: dritter Verbraucher
24: vierter Verbraucher

Claims

Verfahren zum Steuern eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einem Mehrspannungsgenerator (1a, 1b, 1c), der mindestens ein erstes und ein zweites Teilnetz mit jeweils mehreren elektrischen Verbrauchern (2, 5, 6, 7) versorgt, wobei das erste und das zweite Teilnetz eine erste bzw. eine zweite Spannung aufweisen und über eine Parallelschaltung aus einem Spannungswandler (3) und einem Längsregler (4) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass den mehreren elektrischen Verbrauchern (2, 5, 6, 7) jeweils eine eigene Priorität zugewiesen wird und die elektrischen Verbraucher (2, 5, 6, 7) in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Priorität versorgt werden, so dass die Summe der Verbraucherleistungen einen vorgegebenen Leistungswert des Generators nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein alter Verbraucher durch einen neuen Verbraucher ersetzt wird, – wenn die Priorität des alten Verbrauchers unter der Priorität des neuen Verbrauchers liegt und – die Summe der Verbraucherleistungen einschließlich des neuen Verbrauchers den vorgegebenen Leistungswert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungswert des Generators der momentanen Leistung des Generators entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungswert des Generators der Summe der Verbraucherleistungen entspricht, soweit die Priorität der Verbraucher über einer vorgegebenen Schwellenpriorität liegt, wobei die Generatorleistung angehoben wird durch wenigstens einen der folgenden Schritte: – Boosten des Generators, – Anpassen der Leerlaufdrehzahl des Motors und – Boosten des Spannungswandlers.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Priorität der Verbraucher dynamisch in Abhängigkeit von Fahr- und Umweltparametern bestimmt wird.