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Die
Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für Fahrzeugsubsysteme
eines Kraftfahrzeugs mit einem vom Fahrzeugmotor angetriebenen Generator
zur Bereitstellung elektrischer Energie an wenigstens ein Fahrzeugsubsystem
und/oder zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie und einer Steuereinheit
zur Einstellung der dem Generator vom Fahrzeugmotor zur Verfügung gestellten
Antriebsleistung und ein entsprechendes Verfahren zur Versorgung
von Fahrzeugsubsystemen mit elektrischer Energie.
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In
Kraftfahrzeugen ist ein als Lichtmaschine bezeichneter Generator
vorgesehen, der die elektrischen Geräte an Bord mit Energie versorgt
und die Fahrzeugbatterie auflädt.
Die Lichtmaschine dient zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische
Energie, wobei die erforderliche mechanische Leistung vom Fahrzeugmotor
zur Verfügung
gestellt wird. Bei laufendem Motor werden die Verbraucher z. B.
mit der von der Lichtmaschine zur Verfügung gestellten Leistung direkt
versorgt. Ist die im Fahrzeug notwendige elektrische Leistung aufgrund
der eingeschalteten Verbraucher höher, wird die zusätzlich benötigte elektrische
Leistung z. B. aus der Fahrzeugbatterie entnommen. Ist die vom Fahrzeug
benötigte elektrische
Leistung niedriger als die von der Lichtmaschine zur Verfügung gestellte
elektrische Leistung, so wird die Überschussleistung z. B. zum
Aufladen der Batterie verwendet.
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Auf
Grund der zunehmenden Elektrifizierung und Automatisierung ist in
jüngerer
Zeit die Anzahl der auf diese Weise vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs
zu versorgende Verbraucher stark angestiegen. Mögliche Verbrau cher sind elektrische
Steuerungen, Servomotoren, Klimaanlagen, Standheizungen, Fahrzeughauptgetriebe
oder Verteilergetriebe bei Allradfahrzeugen.
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Um
den steigenden Anforderungen an die Elektrifizierung im Automobilbau
gerecht werden zu können,
ohne die Batterie- und Lichtmaschinenkapazität zu stark ansteigen zu lassen,
können
Energiemanagementsysteme eingesetzt werden, die zum einen die Rückgewinnung
von Bremsenergie während Schub-
bzw. Bremsphasen des Fahrzeugs ermöglichen. In solchen Phasen
treibt das Fahrzeug über den
Motor die Lichtmaschine ohne Kraftstoffverbrauch an, die dadurch
gegebenenfalls mehr Leistung aufbringt als aktuell verbraucht wird.
Diese Überschussenergie
wird in der Batterie gespeichert. Andererseits können solche Energiemanagementsysteme
auch derart ausgelegt sein, dass bei einer größeren Leistungsanforderung
für den
Fahrzeugvortrieb, also z. B. während
Beschleunigungsphasen, ein größerer Teil
der vom Motor zur Verfügung
gestellten Energie allein für
den Fahrzeugvortrieb verwendet wird. Die Lichtmaschine ist während einer solchen
Phase inaktiv und elektrische Verbraucher werden nur über die
Batterie versorgt. Die Lichtmaschine tritt erst wieder in Aktion,
wenn die erhöhte Leistungsanforderung
für den
Fahrzeugvortrieb abgeschlossen ist.
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Durch
diese Regelung der Lichtmaschine kann es zu Schwankungen in der
Bordspannung kommen. Schwankungen treten z. B. in der Größenordnung
von 10,5 bis 16 V auf, wenn die Bordspannung im Regelfall 13,5 V
beträgt.
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Wenn
die Bordspannung des Fahrzeugs unter einen Nominalwert sinkt, ist
mit Einbußen
oder größeren Stellzeiten
zu rechnen, wenn z. B. ein e lektrischer Aktuator mit einem großen Stellmoment,
wie zum Beispiel der Aktuator eines Getriebes, zu schalten ist.
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Diesem
Problem kann teilweise begegnet werden, indem die Leistungsquerschnitte,
mit denen die Steuergeräte
und/oder Aktuatoren versorgt werden, vergrößert oder die Innenwiderstände der
Steuergeräte
verringert werden. Auf diese Weise ist der Spannungsabfall zwischen
der Energieversorgungseinheit, also der Lichtmaschine bzw. der Fahrzeugbatterie,
zu dem Steuergerät
bzw. dem Aktuator geringer. Insbesondere durch die höheren Leistungsquerschnitte
entstehen höheres
zu bewegendes Gewicht und höhere
Kosten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energieversorgungssystem
für Fahrzeugsubsysteme
und ein Verfahren zur Versorgung von Fahrzeugsubsystemen mit elektrischer
Energie zur Verfügung
zu stellen, die auf kostengünstige
Weise auch bei schwankender Bordspannung die wunschgemäße Erfüllung von
Leistungsanforderungen von Fahrzeugsubsystemen ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Energieversorgungssystem mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 bzw. mit einem Verfahren zur Versorgung von Fahrzeugsubsystemen
mit elektrischer Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Unteransprüche sind
auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.
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Ein
erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem
weist insbesondere eine Schnittstelle zur Verbindung des wenigstens
einen Fahrzeugsubsystems mit der Steuereinheit auf, die zur Einstellung der
dem Generator vom Fahrzeugmotor zur Verfügung gestellten Antriebsleistung
dient. Der Fahrzeugmotor dient ansonsten, gegebenenfalls in Kombination
mit ande ren Motoren, dem Fahrzeugvortrieb und umfasst vorzugsweise
einen Verbrennungsmotor. Über
die Schnittstelle können
Leistungsanforderungssignale des wenigstens einen Fahrzeugsubsystems
an die Steuereinheit übermittelt
werden. Die Steuereinheit ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass
sie die Ausgangsspannung des Generators bei einer Leistungsanforderung
eines Fahrzeugsubsystems derart einstellt, dass die aktuelle Leistungsanforderung
erfüllt
werden kann.
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Reicht
z. B. die aktuelle Bordspannung des Kraftfahrzeugs nicht aus, um
ein Moment mit einem hohen Schwellwert (z. B. 800 Nm) zu stellen,
wird eine entsprechendes Leistungsanforderungssignal an die Steuereinheit
gesendet, die die Ausgangsspannung des Generators erhöht, damit
ausreichend elektrische Energie an das Fahrzeugsubsystem geliefert
werden kann, dass das Moment ausreichend schnell gestellt werden
kann.
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Die
Erhöhung
der Ausgangsspannung des Generators kann von der Steuereinheit z.
B. dadurch bewirkt werden, dass ein größerer Anteil der vom Fahrzeugmotor
zur Verfügung
gestellten Leistung – gegebenenfalls
unter gleichzeitiger Verringerung der für den Fahrzeugvortrieb zur
Verfügung
stehenden Leistung des Fahrzeugmotors – an den Generator geliefert
wird. Alternativ kann z. B. kurzzeitig die Leistung des Fahrzeugmotors
hoch gestellt werden, wobei die Leistungssteigerung nicht für den Fahrzeugvortrieb,
sondern für
die Steigerung der Generatorleistung eingesetzt wird.
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Hohe
Leistungsanforderungen von Fahrzeugsubsystemen entstehen z. B.,
wenn Getriebe geschaltet werden sollen. Getriebe werden mit Hilfe von
Getriebeaktuatoren betätigt,
die z. B. zum Einrücken
der Zahnräder
dienen, die die gewünschte Übersetzung
zur Verfügung
stellen. Die Aktuatoren werden mit elektrischer Energie betrieben.
Während eines
solchen Schaltvorganges entstehen kurzzeitig hohe Energieanforderungen
an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs. Um den Schaltvorgang ausreichend schnell
durchführen
zu können,
muss die zur Verfügung
stehende Spannung ausreichend hoch sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
umfasst das wenigstens eine Fahrzeugsubsystem dementsprechend zumindest
ein Getriebe, das derart ausgestaltet ist, dass es ein Leistungsanforderungssignal über die
Schnittstelle an die Steuereinheit schickt, wenn ein Schaltvorgang
durchgeführt
werden soll, und die aktuelle Bordspannung des Fahrzeugs nicht zur
Bereitstellung einer ausreichenden Spannung am Getriebe ausreicht,
um den Schaltvorgang wunschgemäß durchzuführen.
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Soll
ein entsprechender Schaltvorgang durchgeführt werden und die Bordspannung
ist gerade auf einem niedrigen Niveau, so kann das Getriebe bzw.
der Aktuator des Getriebes über
die Schnittstelle an die Steuereinheit des Generators ein Leistungsanforderungssignal
senden. Die Steuereinheit erhöht die
dem Generator zur Verfügung
gestellte Antriebsleistung, so dass die Ausgangsspannung des Generators
sich erhöht,
um der Leistungsanforderung gerecht werden zu können.
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Bei
dem zu schaltenden Getriebe kann es sich z. B. um ein automatisches
Fahrzeughauptgetriebe handeln. Bei einer bevorzugten Anwendung umfasst
das wenigstens eine Fahrzeugsubsystem ein Verteilergetriebe eines
allradgetriebenen Fahrzeugs, mit dem die Antriebsleistung des Fahrzeugmotors
je nach Notwendigkeit auf die Achsen des allradgetriebenen Fahrzeugs
verteilt wird.
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Um
festzustellen, ob die aktuelle Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs
zur wunschgemäßen Durchführung z.
B. des Schaltvorgangs eines Getriebes ausreicht, ist vorteilhafterweise
eine Spannungsmessvorrichtung vorgesehen. Diese kann z. B. direkt
am Generator vorgesehen sein, um dessen Ausgangsspannung aktuell
bestimmen zu können. Bei
einer bevorzugten Weiterbildung wird die an dem jeweiligen Fahrzeugsubsystem
anliegende Spannung gemessen, die – z. B. aufgrund der Leitungswiderstände – nicht
notwendigerweise mit der Ausgangsspannung des Generators übereinstimmen muss.
Soll z. B. ein Getriebe geschaltet werden und ein entsprechendes
Schaltsignal geht an dem Getriebeaktuator ein, so wird mit Hilfe
der Spannungsmessvorrichtung geprüft, ob die aktuell an dem Getriebeaktuator
anliegende Eingangsspannung ausreichend ist, um den Schaltvorgang
ausreichend schnell durchführen
zu können.
Liegt diese Spannung unter einem entsprechenden Schwellwert, wird
ein Leistungsanforderungssignal über
die Schnittstelle an die Steuereinheit des Generators gesendet.
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Insbesondere
wenn mehrere Fahrzeugsubsysteme mit Hilfe des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
versorgt werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn eine Busschnittstelle
eingesetzt wird, die den Anschluss mehrerer Fahrzeugsubsysteme an
das Steuergerät
ermöglicht,
ohne dass individuelle Kabelverbindungen zwischen jedem einzelnen
Fahrzeugsubsystem und der Steuereinheit verwendet werden. Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz einer CAN-Busschnittstelle.
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Bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass sie in Abhängigkeit des
Fahrzeugzustandes bestimmt, ob von einem Fahrzeugsubsystem ein Leistungsanforderungssignal
zu erwarten ist, und gegebenenfalls die Ausgangsspannung des Generators
derart einstellt, dass die zu erwartende Leistungsanforderung erfüllt werden
kann. Auf diese Weise ist zusätzlich
sichergestellt, dass die Leistungsanforderung schnell erfüllt werden
kann, also z. B. ein Schaltvorgang eines Getriebes ohne zu große Stellverzögerung durchgeführt werden
kann. Beispielsweise kann bei eingestellter Gelände gangstufe davon ausgegangen
werden, dass ein Geländeeinsatz
des Fahrzeuges bevorsteht und ein Schalten des Verteilergetriebes
notwendig werden wird, um die Antriebsleistung auf die Hinter- bzw.
Vorderachse anders zu verteilen.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei der für
die erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit
eine Steuereinheit verwendet wird, die, – wenn keine aktuelle Leistungsanforderung
eines Fahrzeugsubsystems vorliegt – die dem Generator zur Verfügung gestellte
Antriebsleistung in Abhängigkeit
des Fahrzeugzustandes, vorzugsweise in Abhängigkeit des der für den Fahrzeugvortrieb
aktuell notwendigen Leistung, einstellt. Dies gewährleistet eine
optimale und ökonomische
Ausnutzung der vom Fahrzeugmotor zur Verfügung gestellten Leistung für den Fahrzeugvortrieb
oder die Versorgung der Fahrzeugsubsysteme.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Versorgung von Fahrzeugsubsystemen mit elektrischer Energie
sendet ein Fahrzeugsubsystem ein Leistungsanforderungssignal an
eine Steuereinheit eines Generators, wenn die aktuell herrschende Bordspannung
des Fahrzeugs für
eine gewünschte Aktion
des Fahrzeugsubsystems nicht ausreicht. Eine Steuereinheit stellt
die Ausgangsspannung des Generators derart ein, dass sie der aktuellen
Leistungsanforderung des Fahrzeugsubsystems gerecht werden kann.
Dabei kann berücksichtigt
werden, dass die Ausgangsspannung des Generators z. B. aufgrund
von Leitungswiderständen
nicht der an dem Fahrzeugsubsystem anliegenden Eingangsspannung
entspricht. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
in analoger Weise aus der obigen Schilderung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und deren Vorteile
ergeben sich ebenfalls aus der obigen Schilderung der vorteilhaften
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
und deren Vorteile.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 beispielhaft
erläutert,
die den Einsatz einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
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1 zeigt
die Anwendung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
am Beispiel eines allradgetriebenen Fahrzeugs, wobei die betrachteten
Fahrzeugsubsysteme das Fahrzeughauptgetriebe 14 und das
Verteilergetriebe 16 des Allradfahrzeuges 10 sind.
Diese beiden Getriebe werden nur beispielhaft als Fahrzeugsubsysteme aufgeführt, die
mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem
versorgt werden. Zusätzliche und
in der Figur nicht dargestellte Fahrzeugsubsysteme, die ebenfalls
an das Energieversorgungssystem angeschlossen sein können, umfassen
z. B. die Klimaanlage, die Heizung, beheizbare Scheiben, Stellmotoren
wie z. B. Fensterhebermotoren, etc.
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In 1 ist
das Fahrzeug 10 schematisch dargestellt, bei dem ein Verbrennungsmotor 12 die Räder 11 antreibt.
Gezeigt ist beispielhaft ein Fahrzeug mit Frontmotor, der über eine
Kardanwelle 18 und das Differential 22 die Hinterachse 26 antreibt. Der
Abtrieb des Motors 12 ist mit dem Fahrzeughauptgetriebe 14 verbunden,
das z. B. ein automatisches Getriebe sein kann und das Drehmoment
des Motors in an sich bekannter Weise wandelt.
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An
das Fahrzeughauptgetriebe schließt sich das Verteilergetriebe 16 an,
das die Antriebsleistung zwischen der Hinterachse 26 und
der Vorderachse 28 des allradgetriebenen Fahrzeugs verteilt.
Dazu wird am Verteilerge triebe 16 ein entsprechender Anteil
der Antriebsleistung über
die Kardanwelle 20 und das Differential 24 an
die Vorderachse 28 zur Verfügung gestellt.
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Am
Motor 12 ist die Lichtmaschine 30 vorgesehen,
die ebenfalls vom Motor 12 angetrieben wird. Der Anteil
der von dem Fahrzeugmotor für
den Betrieb der Lichtmaschine 30 zur Verfügung gestellten Antriebsleistung
wird mit Hilfe einer Steuereinrichtung 36 eingestellt,
die zum Beispiel einen entsprechend programmierten Mikroprozessor
umfasst.
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Mit
dem Generator 30 ist die Fahrzeugbatterie 31 verbunden.
Die Fahrzeugbatterie 31 und die Lichtmaschine 30 sind über Stromversorgungskabel 32, 34 mit
dem Fahrzeughauptgetriebe 14 und dem Verteilergetriebe 16 verbunden,
so dass elektrische Energie zu deren Schaltung zur Verfügung steht. Über einen
CAN-(Controller Area Network)-Bus stehen das Fahrzeughauptgetriebe 14 und
das Verteilergetriebe 16 mit einer CAN-Schnittstelle 44 in Verbindung,
die z. B. über
eine Signalleitung 42 mit der Steuereinheit 36 verbunden
ist.
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Die
gezeigte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
kann wie folgt zum Einsatz kommen.
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Wenn
z. B. das Verteilergetriebe 16 geschaltet werden soll,
um die Verteilung der Antriebsleistung des Fahrzeugmotors 12 zwischen
Vorderachse 28 und Hinterachse 26 zu verändern, wird überprüft, ob die
Spannung des Bordnetzes ausreicht, um am Eingang des Verteilergetriebes 16 eine
ausreichende Eingangsspannung zur Verfügung zu stellen, um den entsprechenden
Schaltvorgang durchzuführen.
Ist dies nicht der Fall, so wird vom Verteilergetriebe 16 über die
Busverbindung 40 ein Leistungsanforde rungssignal an die
Schnittstelle 44 gegeben, das an die Steuereinheit 36 weitergegeben
wird.
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Eine
zu niedrige Bordspannung kann z. B. dadurch entstehen, dass die
gesamte Antriebsleistung des Fahrzeugmotors 12 aktuell
für den
Vortrieb des Fahrzeugs 10 verwendet wird, also z. B. während einer
Beschleunigungsphase. Auf die Leistungsanforderung des Verteilergetriebes 16 hin
wird jedoch von der Steuereinheit 36 ein größerer Anteil
der vom Fahrzeugmotor 12 zur Verfügung gestellten Antriebsleistung
für den
Antrieb der Lichtmaschine 30 verwendet, gegebenenfalls
auf Kosten der für
den Fahrzeugvortrieb zur Verfügung
stehenden Leistung. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der
Schaltvorgang des Verteilergetriebes 16 ohne zu große Stellverzögerung durchgeführt wird.
Nach Durchführung des
Schaltvorganges kann, z. B. ausgelöst durch ein entsprechendes
Abschlusssignal, die gesteigerte Leistungszufuhr an die Lichtmaschine 30 wieder
zurückgestellt
werden, so dass wiederum ein größerer Anteil
der Leistung des Motors 12 für den Fahrzeugvortrieb zur
Verfügung
steht.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
reagiert die Steuereinheit 36 nicht oder nicht nur auf
ein aktuelles Leistungsanforderungssignal, sondern auf ein dauerhaftes
Leistungsanforderungssignal. Zum Beispiel kann die Fahrsituation
bzw. die vom Fahrer eingestellten Parameter ausgewertet werden,
um die Wahrscheinlichkeit eines Schaltvorgangs mit hohem Stellmoment
zu bestimmen. Befindet sich z. B. das Verteilergetriebe in der Geländegangsstufe,
so ist der Geländeeinsatz
wahrscheinlich und ein Schaltvorgang des Verteilergetriebes zur Änderung
der Aufteilung der Antriebsleistung des Fahrzeugmotors 12 auf die
Vorderachse 28 bzw. die Hinterachse 26 ist wahrscheinlich.
In einem solchen Zustand kann die Steuereinheit 36 auch
ohne einen bereits akut anstehenden Schaltvorgang die der Lichtmaschine 30 zur
Verfügung
gestellte Antriebsleistung des Fahrzeugmotors 12 entsprechend
hoch einstellen, so dass der Schaltvorgang problemlos und schnell
stattfinden kann, wenn er durchgeführt werden soll.
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Rad
- 12
- Motor
- 14
- Fahrzeughauptgetriebe
- 16
- Verteilergetriebe
- 18,
20
- Kardanwelle
- 22,
24
- Differential
- 26
- Hinterachse
- 28
- Vorderachse
- 30
- Lichtmaschine
- 31
- Fahrzeugbatterie
- 32
- Stromversorgungskabel
des Fahrzeughauptgetriebes
- 34
- Stromversorgungskabel
des Verteilergetriebes
- 36
- Steuereinheit
- 40
- CAN-Bus
- 42
- Signalleitung
- 44
- CAN-Schnittstelle