DE102007025694A1

DE102007025694A1 - Elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Bordnetzes

Info

Publication number: DE102007025694A1
Application number: DE102007025694A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Kronewitter; Dietmar Munz; Dietrich Dr. Ing. Sahm; Rainer Dr. Uhler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine (3) zum Starten eines Verbrennungsmotors, einen Akkumulator (7), einen zumindest vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator (6), mit dem zumindest der Akkumulator (7) aufladbar ist, und mindestens einen elektrischen Verbraucher (8), wobei ein die elektrische Maschine (3) und mindestens einen Kondensator (4) umfassender erster Teil (2) des Bordnetzes (1) über einen DC/DC-Wandler (9) mit einem den Generator (6), den Akkumulator (7) und den elektrischen Verbraucher (8) umfassenden zweiten Teil (5) des Bordnetzes (1) verbunden ist, wobei dem Kondensator (4) über den DC/DC-Wandler (9) elektrische Energie (E<SUB>2</SUB>) aus dem zweiten Teil (5) zuführbar ist und wobei die elektrische Maschine (3) mit elektrischer Energie (E<SUB>1</SUB>) aus dem Kondensator (4) startbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einer so genannten Stopp/Start-Funktion, bei der ein Verbrennungsmotor bei stehendem Kraftfahrzeug abgeschaltet und bei Betätigung eines Fahrpedals wieder gestartet wird, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu verringern. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des elektrischen Bordnetzes.
Aus der DE 10 2004 016 292 A1 ist eine Schaltungsanordnung einer Starter- und Energieversorgungsanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem elektrischen Startermotor bekannt, der mit einem elektrischen Energiespeicher, umfassend wenigstens einen Kondensator und wenigstens einen Akkumulator, verbindbar ist. Weiter ist ein von einer Brennkraftmaschine antreibbarer Generator zur Energielieferung während des Betriebs der Brennkraftmaschine vorgesehen. Dem Energiespeicher ist eine Schalteinrichtung zur variablen Verschaltung des Kondensators und/oder des Akkumulators mit dem Startermotor bzw. mit dem Generator zugeordnet. Die Schaltzustände der Schalteinrichtung sind in Abhängigkeit von Parametern wie der Spannungsunterschiede im Energiespeicher steuerbar.
Nachteilig ist hier, dass bei einem Startversuch mit entladenem Kondensator der Akkumulator den Startermotor antreiben muss. Infolgedessen bricht die Bordspannung des Kraftfahrzeugs soweit zusammen, dass elektrische Verbraucher wie Autoradios zumindest vorübergehend ausschalten. Bei häufigen Stopp/Start-Vorgängen wird der Komforteindruck des Fahrzeugs hierdurch erheblich beeinträchtigt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb dieses Bordnetzes anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeuges umfasst eine elektrische Maschine zum Starten eines Verbrennungsmotors, einen Akkumulator, einen zumindest vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator, mit dem zumindest der Akkumulator aufladbar ist und mindestens einen elektrischen Verbraucher. Ein die elektrische Maschine und mindestens einen Kondensator umfassender erster Teil des Bordnetzes ist über einen DC/DC-Wandler mit einem den Generator, den Akkumulator und den elektrischen Verbraucher umfassenden zweiten Teil des Bordnetzes verbunden. Ein DC/DC- Wandler wandelt eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung um. Dem Kondensator ist über den DC/DC-Wandler elektrische Energie aus dem zweiten Teil zuführbar. Die elektrische Maschine ist mit elektrischer Energie aus dem Kondensator startbar. Die Energie zum Laden des Kondensators wird entweder dem Generator oder dem Akkumulator entnommen. Sofern Energie aus dem Generator zur Verfügung steht, wird die Energie bevorzugt hier entnommen. Bei ruhendem Verbrennungsmotor bzw. stehendem Fahrzeug liefert der Akkumulator die elektrische Energie zum Laden des Kondensators.
Vorteilhaft ist dabei, dass der zweite Teil des Bordnetzes, an dem der oder die Verbraucher angeschlossen sind, beim Start des Verbrennungsmotors keine Spannungseinbrüche in der aus dem Stand der Technik bekannten Größenordnung erleidet. Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors fließen oft Ströme von 700 A oder mehr über die elektrische Maschine (auch Starter oder Anlasser genannt). Die Spannung eines herkömmlichen Bordnetzes bricht dabei gewöhnlich von regulär 12 V bis 14 V auf unter 9 V zusammen, wobei einige Verbraucher ausfallen. Ist hingegen der Kondensator vor dem Start bereits aufgeladen, beispielsweise mit elektrischer Energie, die der Generator während eines vorangehenden Fahrzyklus geliefert hat, bricht die Spannung im zweiten Teil des Bordnetzes nicht zusammen.
Muss die Energie zum Laden des Kondensators, beispielsweise für einen Kaltstart des Motors nach langer Standzeit des Kraftfahrzeugs, während der der Kondensator sich selbst entladen hat, dem Akkumulator entnommen werden, kann der Energiebedarf über den DC/DC-Wandler auf ein längeres Zeitintervall verteilt werden. Beispielsweise werden dem Akkumulator nur 100 A über ein entsprechend längeres Zeitintervall entnommen und dem Kondensator zugeführt. Die Spannung im zweiten Teil des Bordnetzes fällt dabei nur geringfügig ab, so dass elektrische Verbraucher nicht beeinträchtigt werden. Ein Start ist so sogar mit einem fast entladenen Akkumulator möglich, der den für einen Direktstart der elektrischen Maschine erforderlichen Strom nicht mehr aufbringen könnte, jedoch noch in der Lage ist, einen geringeren Strom zum Laden des Kondensators zu liefern.
Außerdem kann in einem solchen Bordnetz auf den Einsatz herkömmlicher Starterbatterien als Akkumulator verzichtet werden, deren Lebensdauer meist recht begrenzt ist. Stattdessen können langlebigere Akkumulatoren für geringere Ströme, wie sie beispielsweise bei der Speicherung von Solarenergie gebräuchlich sind, zum Einsatz kommen. Unabhängig von der Art des eingesetzten Akkumulators verlängert sich dessen zu erwartende Lebensdauer, da er wesentlich geringer zyklisch belastet wird. Bei vollständiger Entladung von Akkumulator und Kondensator kann der Verbrennungsmotor mittels herkömmlicher Starthilfe gestartet werden, indem zunächst dem Akkumulator von außen Energie zugeführt wird.
Vorzugsweise ist der Kondensator als ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator ausgebildet. Solche Doppelschichtkondensatoren, die auch als Superkondensatoren bezeichnet werden, weisen die größte Energiedichte aller derzeit bekannten Kondensatoren auf und sind daher besonders zum Starten der elektrischen Maschine geeignet. In diesen Doppelschichtkondensatoren wird bei einer sehr großen Elektrodenoberfläche ein nur wenige Atomlagen starkes Dielektrikum aus in einem flüssigen Elektrolyt dissoziierten Ionen gebildet. Doppelschichtkondensatoren sind wesentlich zyklenfester als Akkumulatoren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Ladung des Kondensators mittels des DC/DC-Wandlers steuerbar. Insbesondere steuert der DC/DC-Wandler die elektrische Ladung in Abhängigkeit von einer Motortemperatur des Verbrennungsmotors so, dass sie mit geringerer Motortemperatur steigt. Bei kaltem Verbrennungsmotor ist die von der elektrischen Maschine zum Start aufzubringende Leistung am größten. Der Kondensator wird daher möglichst maximal aufgeladen. Im Stopp-/Start-Betrieb bei warmem Verbrennungsmotor ist die für den Start erforderliche Leistung erheblich geringer, so dass eine geringere elektrische Ladung des Kondensators ausreicht.
Als Maß für den Ladezustand des Kondensators wird dabei durch den DC/DC-Wandler bevorzugt eine Ladespannung des Kondensators bestimmt. Anhand dieser Ladespannung erfolgt die Ladesteuerung. Die Ladespannung ist eine besonders einfach zu erfassende Größe.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mittels des Generators Energie aus einem Bremsvorgang des Kraftfahrzeugs in das Bordnetz einspeisbar. Dieser Vorgang wird häufig auch als Rekuperation bezeichnet. Der Generator wird dabei nicht mehr über den beim Bremsen gegebenenfalls abgeschalteten Verbrennungsmotor angetrieben. Stattdessen wirkt der Generator selbst auf den Antriebsstrang als Bremse. Die aus der Bremsenergie zurückgewonnene elektrische Energie trägt positiv zur Energiebilanz des Kraftfahrzeugs bei.
In einer weiteren Ausführungsform ist elektrische Energie aus dem Kondensator über den DC/DC-Wandler in den zweiten Teil des Bordnetzes rückführbar. Dies kann beispielsweise dann geschehen, wenn der Kondensator nach einem Kaltstart wegen des noch kalten Motors zunächst voll geladen wurde und das Kraftfahrzeug anschließend ohne Stopp/Start-Vorgang so lange bewegt wurde, dass für einen Stopp/Start-Vorgang bei der nun erhöhten Motortemperatur eine geringere Energiemenge ausreichend ist. Auf diese Weise kann weiter Energie eingespart werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem Akkumulator, einem Kondensator und einem DC/DC-Wandler.
In 1 ist ein elektrisches Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Ein erster Teil 2 des Bordnetzes 1 umfasst eine elektrische Maschine 3 (auch Starter oder Starter-Motor genannt) zum Starten eines Verbrennungsmotors und einen Kondensator 4, aus dem elektrische Energie E₁ zum Betrieb der elektrischen Maschine entnommen werden kann. Ein zweiter Teil 5 des Bordnetzes 1 umfasst einen Generator 6, einen Akkumulator 7 und einen elektrischen Verbraucher 8. Der elektrische Verbraucher 8 steht hier exemplarisch für eine Vielzahl üblicherweise von einem elektrischen Bordnetz 1 gespeisten Verbraucher. Ein DC/DC-Wandler 9 bildet die Schnittstelle zwischen dem ersten Teil 2 und dem zweiten Teil 5 des Bordnetzes 1.
Bei einem Start des Verbrennungsmotors bestimmt der DC/DC-Wandler 9, ob die elektrische Ladung des Kondensators 4 ausreicht, um die elektrische Maschine 3 anzutreiben und so den Verbrennungsmotor bei einer momentanen Motortemperatur zu starten. Vorzugsweise misst der DC/DC-Wandler hierzu die Ladespannung des Kondensators 4. Ebenso wird dem DC/DC-Wandler 9 ein mit der Motortemperatur korreliertes Signal zugeführt. Ist die elektrische Ladung des Kondensators 4, der vorzugsweise als ein Doppelschichtkondensator ausgebildet ist, ausreichend, kann ein Startversuch erfolgen, bei dem der elektrischen Maschine 3 elektrische Energie E₁ aus dem Kondensator 4 zugeführt wird. Genügt die elektrische Ladung den Anforderungen eines Motorstarts hingegen nicht, wird der Kondensator 4 über den DC/DC-Wandler 9 mit elektrischer Energie E₂ aus dem Akkumulator 7 nachgeladen. Bei kaltem Verbrennungsmotor ist eine höhere Energie zum Starten erforderlich als bei warmem Verbrennungsmotor. Ein typischer Wert für die elektrische Spannung im zweiten Teil 5 des Bordnetzes 1 ist beispielsweise 12 V bis 14 V. Spannungen von etwa 24 V bzw. etwa 42 V sind ebenfalls gebräuchlich. Die Spannung im ersten Teil 2 des Bordnetzes 1 variiert beispielsweise je nach der für die jeweilige Motortemperatur erforderlichen Startleistung zwischen etwa 10 V bei warmem Verbrennungsmotor und etwa 30 V bei kaltem Verbrennungsmotor. Die genannten Spannungswerte sind exemplarisch, andere Spannungswerte können ebenfalls vorgesehen sein.
Bei laufendem Verbrennungsmotor oder beim Bremsen des Kraftfahrzeugs wandelt der Generator 6 mechanische Energie aus dem Verbrennungsmotor oder aus einem Bremsvorgang in elektrische Energie um und speist sie in das Bordnetz 1 ein. Dabei wird der Akkumulator 7 geladen und der elektrische Verbraucher 8 mit elektrischer Energie versorgt. Wenn erforderlich, wird der Kondensator 4 über den DC/DC-Wandler 9 mit elektrischer Energie E₂ soweit aufgeladen, dass seine elektrische Ladung für einen erneuten Startvorgang bei der aktuellen Motortemperatur ausreicht.
Ist die elektrische Ladung des Kondensators 4 höher, als bei der momentanen Motortemperatur erforderlich, kann der DC/DC-Wandler 9 elektrische Energie E₃ aus dem Kondensator 4 entnehmen und in den zweiten Teil 5 des Bordnetzes 1 zurückführen, wo sie dem elektrischen Verbraucher 8 zugeführt wird oder der Nachladung des Akkumulators 7 dient.
Die Rückspeisung der elektrischen Energie E₃ aus dem Kondensator 4 in den zweiten Teil 5 des Bordnetzes 1 ist optional.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004016292 A1 [0002]

Claims

Elektrisches Bordnetz (1) eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine elektrische Maschine (3) zum Starten eines Verbrennungsmotors, einen Akkumulator (7), einen zumindest vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator (6), mit dem zumindest der Akkumulator (7) aufladbar ist und mindestens einen elektrischen Verbraucher (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein die elektrische Maschine (3) und mindestens einen Kondensator (4) umfassender erster Teil (2) des Bordnetzes (1) über einen DC/DC-Wandler (9) mit einem den Generator (6), den Akkumulator (7) und den elektrischen Verbraucher (8) umfassenden zweiten Teil (5) des Bordnetzes (1) verbunden ist, wobei dem Kondensator (4) über den DC/DC-Wandler (9) elektrische Energie (E₂) aus dem zweiten Teil (5) zuführbar ist und wobei die elektrische Maschine (3) mit elektrischer Energie (E₁) aus dem Kondensator (4) startbar ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (4) als ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator ausgebildet ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung des Kondensators (4) mittels des DC/DC-Wandlers (9) steuerbar ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung in Abhängigkeit von einer Motortemperatur steuerbar ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den DC/DC-Wandler (9) eine Ladespannung des Kondensators (4) als ein Maß für dessen elektrische Ladung bestimmbar ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Generators (6) Energie aus einem Bremsvorgang des Kraftfahrzeugs in das Bordnetz (1) einspeisbar ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie (E₃) aus dem Kondensator (4) über den DC/DC-Wandler (9) in den zweiten Teil (5) rückführbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Bordnetzes (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine (3) zum Starten eines Verbrennungsmotors, einen Akkumulator (7), einen zumindest vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator (6), mit dem zumindest der Akkumulator (7) aufladbar ist und mindestens einen elektrischen Verbraucher (8), dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie (E₂) aus dem Generator (6) und/oder dem Akkumulator (7) über einen DC/DC-Wandler (9) in mindestens einen Kondensator (4) eingespeist wird und dass die elektrische Maschine (3) zum Starten des Verbrennungsmotors mit elektrischer Energie (E₁) aus dem Kondensator (4) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (6) elektrische Energie aus bei einem Bremsvorgang freiwerdender Energie umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung des Kondensators (4) mittels des DC/DC-Wandlers (9) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung in Abhängigkeit von einer Motortemperatur gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung des Kondensators (4) so gesteuert wird, dass sie mit geringerer Motortemperatur steigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung des Kondensators (4) durch Messung einer Ladespannung überwacht und gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie (E₃) aus dem Kondensator (4) über den DC/DC-Wandler (9) zum Akkumulator (7) und/oder zum Verbraucher (8) zurückgeführt wird, wenn die momentane elektrische Ladung größer ist, als für einen Start des Verbrennungsmotors bei dessen momentaner Motortemperatur erforderlich ist.