DE102006004267B4 - Bordnetz für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Bordnetz für ein Fahrzeug, welches einen ersten Bordnetzbereich (11) aufweist, in dem ein erstes Spannungsniveau bereitstellbar ist, und einen zweiten Bordnetzbereich (12) aufweist, in dem ein zweites Spannungsniveau bereitstellbar ist, wobei die Bordnetzbereiche (11, 12) durch einen Spannungswandler (2) mit dem ersten Spannungsniveau als Eingangsspannung und dem zweiten Spannungsniveau als Ausgangsspannung elektrisch gekoppelt sind, welcher mit einer Steuereinheit (27) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Funktionsweisen des Spannungswandlers (2) abhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen einer Eingangsspannung des Spannungswandlers (2) und einer Ausgangsspannung des Spannungswandlers (2) durch die Steuereinheit (27) einstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Fahrzeug, welches einen ersten Bordnetzbereich aufweist, in dem ein erstes Spannungsniveau bereitstellbar ist, und einen zweiten Bordnetzbereich umfasst, in dem ein zweites Spannungsniveau bereitstellbar ist, wobei die Bordnetzbereiche durch einen Spannungswandler elektrisch gekoppelt sind.
  • Für ein Energienetz mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus werden als Spannungswandler in bekannter Weise auch DC/DC-Wandler eingesetzt. Aufgabe dieser Spannungswandler ist es, elektrische Energie von einem Spannungsniveau in das andere Spannungsniveau zu „transformieren”. Dabei sind Bordnetze bzw. Energienetze in einem Fahrzeug bekannt, welche einen unidirektionalen Spannungswandler bzw. einen Abwärtswandler aufweisen, welcher die von einem Generator erzeugte höhere variable Spannung, beispielsweise zwischen 14 V und 42 V, in das niedrigere Spannungsniveau, beispielsweise von etwa 14 V, des Bordnetzes wandelt. Darüber hinaus sind Bordnetze bekannt, bei denen ein bidirektionaler Spannungswandler angeordnet ist, welcher partiell in bestimmten Fahrzuständen des Fahrzeugs eine höhere variable Spannung erzeugt und einer Energiespeichereinheit, insbesondere einem Supercap, zuführt, bzw. diesen auflädt und die gespeicherte Energie wieder ins Bordnetz zurückgeführt wird.
  • In 1 ist in schematischer Darstellung ein Bordnetz 1 gezeigt, welches einen ersten Bordnetzbereich 11 aufweist, in dem ein erstes Spannungsniveau (14 V bis 42 V) bereitstellbar ist, welcher mit einem zweiten Bordnetzbereich 12, in welchem ein zweites Spannungsniveau von etwa 14 V bereitstellbar ist, durch einen DC/DC-Wandler 2, welcher als unidirektionaler Abwärtswandler ausgebildet ist, elektrisch gekoppelt ist. Der DC/DC-Wandler 2 weist eine erste Teilschaltung 21 und eine zweite Teilschaltung 22 auf. Jede dieser Teilschaltungen 21 und 22 umfasst jeweils einen Schalttransistor (Schalttransistor T1 und Schalttransistor T2) mit der zugehörigen Reverse-Diode, welche zwischen Source-Anschluss und Drain-Anschluss des jeweiligen Transistors geschaltet ist.
  • Darüber hinaus umfasst der DC/DC-Wandler 2 eine dritte Teilschaltung 23, welche ebenfalls einen Transistor und eine Diode aufweist, wobei diese Teilschaltung 23 zur Ladestrombegrenzung dient. Darüber hinaus ist eine Induktivität 24 sowie ein Kondensator 25 in den DC/DC-Wandler 2 geschaltet. Des Weiteren umfasst der DC/DC-Wandler 2 eine weitere Teilschaltung 26, welche als Verpolschutz ausgebildet ist und ebenfalls einen Transistor T3 und eine Reverse-Diode aufweist.
  • Der Schalttransistor T1 der ersten Teilschaltung 21 wird durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert, wodurch beim Abwärtswandler bzw. beim DC/DC-Wandler 2 eine gewünschte Ausgangsspannung Ua eingestellt und geregelt wird. Wird das Pulsweitenverhältnis (Verhältnis zwischen der Zeitdauer eines „High”-Pegels des digitalen Signals und einem „Low”-Pegel des digitalen Signals) sehr groß, wird die Regelung der Ausgangsspannung sehr ungenau. Dies ist im Allgemeinen immer dann der Fall, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einer Eingangsspannung Ue des DC/DC-Wandlers 2 und einer Ausgangsspannung Ua sehr gering ist. Insbesondere dann, wenn diese Spannungsdifferenz zwischen 1 V und 3 V liegt, tritt diese Problematik verstärkt auf. Es kann dabei vorgesehen sein, dass DC/DC-Wandler bei einer derartigen geringen Spannungsdifferenz abgeschaltet werden. Dies bedeutet, dass der Stromfluss unterbrochen wird und der Energieinhalt in einem Energiespeicher 111, insbesondere einem Supercap, unzureichend ausgenutzt wird. Dadurch tritt eine Resoursenverschwendung auf.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 61 738 A1 ist ein DC/DC-Wandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine vorgegebene Sollspannung in einem Telekommunikationsgerät bekannt. Der DC/DC-Wandler umfasst eine Wandlergrundeinheit, die bei eingangsseitiger Beaufschlagung mit der Eingangsspannung ausgangsseitig eine Ausgangsspannung erzeugt. Darüber hinaus umfasst der DC/DC-Wandler eine die Ausgangsspannung der Wandlergrundeinheit überwachende Steuereinrichtung, die die Wandlergrundeinheit des Weiteren derart ansteuert, dass diese als Ausgangsspannung die vorgegebene Sollspannung abgibt. Des Weiteren umfasst der DC/DC-Wandler einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Linearregler, welcher eingangsseitig mit der Eingangsspannung beaufschlagt wird, und ausgangsseitig mit einem Spannungsversorgungseingang der Steuereinrichtung verbunden ist. In der Anlaufphase nach einem Inbetriebnehmen des DC/DC-Wandlers versorgt der Linearregler die Steuereinrichtung mit einer Versorgungsspannung zu deren Betrieb. Nach Beendigung der Anlaufphase wird der Linearregler durch die Steuereinrichtung deaktiviert und als Versorgungsspannung der Steuereinrichtung wird die Ausgangsspannung der Wandlergrundeinheit verwendet.
  • Des Weiteren ist aus der DE 103 05 058 B3 eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bekannt. Das Bordnetz kann zwei Bordnetzbereiche aufweisen, in denen jeweils unterschiedliche Spannungsniveaus bereitstellbar sind. Die Energieversorgungsschaltung weist einen DC/DC-Wandler auf, welcher mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung steuert den DC/DC-Wandler ansprechend auf einen Ladezustand einer Batterie und eines Energiespeichers sowie einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs derart an, dass vorhandene Rekuperationsenergie im Energiespeicher gespeichert wird, eine Antriebsunterstützung durch Energie aus dem Energiespeicher erfolgt, sobald dieser geladen ist, und bis dahin aus der Batterie, für einen Schnellstart Energie aus dem Energiespeicher genützt wird, die Batterie entsprechend ihrem Ladezustand bedarfsgerecht geladen wird und nach einer Rekuperation das Bordnetz für die Batterie gespeist wird. Auch bei diesen bekannten Vorrichtungen ist es jedoch nicht möglich, bei einer relativ geringen Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung der Spannungswandler einen effektiven Betrieb dieses Spannungswandlers zu ermöglichen.
  • Aus der DE 102 55 433 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgungsschaltung bekannt, bei dem die Änderung der Funktionsweise eines Spannungswandlers auf Anforderung durch einen Mikroprozessor erfolgt, um einen Stromsparbetrieb mit reduzierter Stromaufnahme zu erzielen.
  • Des Weiteren ist aus der DE 102 31 517 B4 ein Bordnetz mit zwei Spannungsniveaus bekannt, die über einen Längsregler mit parallel geschaltetem DC/DC-Wandler gekoppelt sind. Die Funktionsweise des Längsreglers und des DC/DC-Wandlers wird über Regelvorrichtungen vorgegeben, die die gegenwärtige und/oder zukünftige Bordnetzlast sowie die im Längsregler um gesetzte Verlustleistung berücksichtigen.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches im Hinblick auf eine effektive Resoursenbereitstellung verbessert werden soll.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Bordnetz, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, gelöst.
  • Ein erfindungsgemäßes Bordnetz für ein Fahrzeug weist einen ersten Bordnetzbereich auf, in dem ein erstes Spannungsniveau bereitstellbar ist. Darüber hinaus umfasst das Bordnetz auch einen zweiten Bordnetzbereich, in dem ein zweites Spannungsniveau bereitstellbar ist. Die beiden Bordnetzbereiche sind durch einen Spannungswandler mit dem ersten Spannungsniveau als Eingangsspannung und dem zweiten Spannungsniveau als Ausgangsspannung elektrisch gekoppelt, wobei der Spannungswandler mit einer Steuereinheit verbunden ist. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der Spannungswandler zumin dest zwei unterschiedliche Betriebszustände bzw. Funktionsweisen aufweist, und die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass abhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen einer Eingangsspannung des Spannungswandlers und einer Ausgangsspannung des Spannungswandlers einer der Betriebszustände bzw. eine der Funktionsweisen des Spannungswandlers einstellbar ist. Durch das Bordnetz kann ein deutlich verbessertes Energiemanagement erreicht werden. Auch dann, wenn relativ geringe Spannungsdifferenzen zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Spannungswandlers vorliegen, muss der Spannungswandler nicht mehr abgeschaltet werden. Es wird somit verhindert, dass ein Stromfluss im Spannungswandler unterbrochen wird, und dadurch eine effektive Resoursenspeicherung und Resoursenverteilung nicht eingeschränkt wird.
  • In vorteilhafter Weise ist eine erste Funktionsweise des Spannungswandlers durch einen digitalen Schaltregler zur Spannungsregelung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers charakterisiert. Eine zweite Funktionsweise ist in vorteilhafter Weise durch eine analoge Spannungsregelung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers gekennzeichnet. Durch diese Ausgestaltung kann erreicht werden, dass bei einer relativ geringen Spannungsdifferenz die Funktionsweise des Spannungswandlers von einem Schaltregler mit digitaler Ansteuerung in einen Analogregler geändert wird.
  • In vorteilhafter Weise ist die Steuereinheit zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals zum Einstellen der ersten Funktionsweise des Spannungswandlers ausgebildet. Die Steuereinheit ist des Weiteren bevorzugt derart ausgebildet, dass für die zweite Funktionsweise des Spannungswandlers dieser durch die Steuereinheit zur linearen Spannungsregelung ansteuerbar ist. Bevorzugt ist es, dass die zweite Funktionsweise bei Spannungsdifferenzen kleiner 5 V, insbesondere kleiner 4 V, insbesondere zwischen 1 V und 3 V einstellbar ist.
  • Der Spannungswandler weist in vorteilhafter Weise einen ersten Transistor auf, welcher mit der Steuereinheit verbunden ist und zur Einstellung der ersten Funktionsweise ansteuerbar ist. Der erste Transistor kann daher so angesteuert werden, dass bei einem Stromfluss im Spannungswandler von der Eingangsseite zur Ausgangsseite die Spannungsdifferenz abfällt und die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert geregelt werden kann. Diese analoge Regelung kann auch als lineare Spannungsregelung erfolgen. Auch bei einer Ansteuerung des Spannungswandlers durch die Steuereinheit ge mäß der zweiten Funktionsweise und somit bei der Ausgestaltung als Analogregler, kann die Verlustleitung relativ gering gehalten werden, da diese Funktionsweise nur dann bevorzugt wirksam ist, wenn die Spannungsdifferenz relativ gering ist. Des Weiteren ist die Verlustenergie ebenfalls relativ gering, da die Zeitdauer, in der ein Energiespeicher, insbesondere ein Supercap, soweit entladen ist, bis sich ein gleiches Spannungsniveau zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Spannungswandlers einstellt, begrenzt ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei im Wesentlichen gleichem Spannungsniveau zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Spannungswandlers zwei Energiespeicherbereiche in Form der Bordnetzbereiche parallel geschaltet sind. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass der Bordnetzbereich, in dem ein im Vergleich zum anderen Bordnetzbereich geringeres Spannungsniveau, beispielsweise 14 V, bereitgestellt ist, in diesem Fall beim Zuschalten hoher elektrische Verbraucher wesentlich stabiler ist. Die Wahrscheinlichkeit von Spannungseinbrüchen kann daher deutlich reduziert werden.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass der Spannungswandler zumindest einen zweiten Transistor aufweist, wobei der erste oder der zweite Transistor zur analogen Spannungsregelung durch die Steuereinheit ansteuerbar ist. Der zweite Transistor kann dabei als Verpolschutztransistor vorgesehen sein und ohnehin in dem Spannungswandler angeordnet sein.
  • Der Spannungswandler ist in bevorzugter Weise als DC/DC-Wandler ausgebildet. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Spannungswandler unidirektional, insbesondere als Abwärtswandler ausgebildet ist, oder bidirektional ausgebildet ist. Dadurch können auch Rekuperationsvorgänge durchgeführt werden.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit in dem Spannungswandler angeordnet ist und somit ein Teilelement des Spannungswandlers darstellt. Die Steuereinheit kann jedoch auch als separate Einheit bereitgestellt sein und mit den entsprechenden Komponenten des Spannungswandlers verbunden sein.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Bordnetz; und
  • 2 ein erfindungsgemäßes Bordnetz für ein Fahrzeug.
  • In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 2 ist ein Bordnetz 1 für ein Fahrzeug in schematischer Weise gezeigt, welches die für die Erfindung wesentlichen Merkmale darstellt. Das Bordnetz 1 weist einen ersten Bordnetzbereich 11 sowie einen zweiten Bordnetzbereich 12 auf. In dem ersten Bordnetzbereich 11 ist ein erstes Spannungsniveau bereitstellbar, welches variabel zwischen 14 V und 42 V einstellbar ist. In dem ersten Bordnetzbereich 11 ist ein Energiespeicher 111, welcher als Supercap ausgebildet ist, angeordnet.
  • Im zweiten Bordnetzbereich 12 ist ein zweites Spannungsniveau bereitstellbar, welches im Ausführungsbeispiel etwa 14 V beträgt. Zwischen diesen Bordnetzbereichen 11 und 12 ist ein Spannungswandler angeordnet, welcher als DC/DC-Wandler 2 ausgebildet ist und zur elektrischen Kopplung der beiden Bordnetzbereiche 11 und 12 angeordnet ist. Die im DC/DC-Wandler 2 enthaltenen Teilschaltungen 21, 22, 23 und 26 sowie die Elemente 24 und 25 sind gemäß der Ausgestaltung in 1 ausgelegt.
  • Wie aus der Darstellung in 2 zu erkennen ist, ist der Schalttransistor T1 der ersten Teilschaltung 21 mit einem Gate-Anschluss mit einer Steuereinheit 27 verbunden. Die Steuereinheit 27 ist im Ausführungsbeispiel in dem DC/DC-Wandler 2 angeordnet. Durch diese Steuereinheit 27 kann der Schalttransistor T1 in zwei verschiedenen Funktionsweisen betrieben werden und dafür durch die Steuereinheit 27 entsprechend angesteuert werden. Abhängig von einer Spannungsdifferenz, welche zwischen einer Eingangsspannung Ue am DC/DC-Wandler 2 und einer Ausgangsspannung Ua des DC/DC-Wandlers 2 auftritt, ist die Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 2 durch die Steuereinheit 27 einstellbar.
  • Der Spannungswandler kann dabei in einer ersten Funktionsweise als digitaler Schaltregler zur Spannungsregelung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 2 angesteuert werden. Für diese Funktionsweise kann die Steuereinheit 27 den Schalttransistor T1 gemäß einer Pulsweitenansteuerung ansteuern. Eine derartige Ansteuerung und damit eine Einstellung einer ersten Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 2 erfolgt dann, wenn die Spannungs differenz zwischen der Eingangsspannung Ue und der Ausgangsspannung Ua einen Wert größer 3 V aufweist.
  • Die Ausgestaltung des DC/DC-Wandlers 2 ist im Ausführungsbeispiel derart, dass bei einem Unterschreiten des Wertes von 3 V der Spannungsdifferenz der Schalttransistor T1 der ersten Teilschaltung 21 durch die Steuereinheit 27 derart ansteuerbar ist, dass eine zweite Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 2 einstellbar ist. Diese zweite Funktionsweise ist dadurch charakterisiert, dass eine analoge Spannungsregelung der Ausgangsspannung Ua des DC/DC-Wandlers 2 gemäß einer linearen Spannungsregelung durchgeführt wird. Die Ansteuerung des Schalttransistors T1 gemäß dieser zweiten Funktionsweise kann durch die Steuereinheit 27 bewirkt werden.
  • Wird die Spannungsdifferenz somit relativ gering (im Ausführungsbeispiel kleiner als 3 V), so wird die Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 2 von einem Schaltregler mit Pulsweitenansteuerung des Schalttransistors T1 in einen Analogregler geändert. Dies bedeutet, dass der Schalttransistor T1 durch die Steuereinheit 27 so angesteuert wird, dass bei einem Stromfluss vom Eingang zum Ausgang des DC/DC-Wandlers 2 die Spannungsdifferenz abfällt und die Ausgangsspannung Ua auf einen gewünschten Wert geregelt wird.
  • Durch die gestrichelt gezeichnete Verbindung zwischen der Steuereinheit 27 und einem Schalttransistor T2 der zweiten Teilschaltung 22 ist angedeutet, dass eine analoge Spannungsregelung auch durch diesen als Verpolschutztransistor ausgebildeten Transistor T3 übernommen werden kann. Dieser Transistor T3 ist üblicherweise als Verpolschutztransistor ohnehin in dem DC/DC-Wandler 2 vorhanden.

Claims (9)

  1. Bordnetz für ein Fahrzeug, welches einen ersten Bordnetzbereich (11) aufweist, in dem ein erstes Spannungsniveau bereitstellbar ist, und einen zweiten Bordnetzbereich (12) aufweist, in dem ein zweites Spannungsniveau bereitstellbar ist, wobei die Bordnetzbereiche (11, 12) durch einen Spannungswandler (2) mit dem ersten Spannungsniveau als Eingangsspannung und dem zweiten Spannungsniveau als Ausgangsspannung elektrisch gekoppelt sind, welcher mit einer Steuereinheit (27) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Funktionsweisen des Spannungswandlers (2) abhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen einer Eingangsspannung des Spannungswandlers (2) und einer Ausgangsspannung des Spannungswandlers (2) durch die Steuereinheit (27) einstellbar ist.
  2. Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Funktionsweise des Spannungswandlers (2) durch eine digitale Schaltreglerfunktion zur Spannungsregelung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers (2) und eine zweite Funktionsweise durch eine analoge Spannungsregelung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers (2) vorgegeben ist.
  3. Bordnetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals zum Ansteuern gemäß der ersten Funktionsweise des Spannungswandlers (2) ausgebildet ist.
  4. Bordnetz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) derart ausgebildet ist, dass für die zweite Funktionsweise des Spannungswandlers (2) dieser durch die Steuereinheit (27) zur linearen Spannungsregelung ansteuerbar ist.
  5. Bordnetz nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsweise bei Spannungsdifferenzen kleiner 5 V, insbesondere kleiner 4 V, insbesondere zwischen 1 V und 3 V, einstellbar ist.
  6. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (2) einen ersten Transistor (T1) aufweist, welcher mit der Steuereinheit (27) verbunden ist und zur Einstellung der ersten Funktionsweise ansteuerbar ist.
  7. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (2) zumindest einen zweiten Transistor (T3) aufweist, wobei der erste (T1) oder der zweite Transistor (T3) zur analogen Spannungsregelung durch die Steuereinheit (27) ansteuerbar ist.
  8. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als DC/DC-Wandler (2) ausgebildet ist.
  9. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) in dem Spannungswandler (2) angeordnet ist.
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