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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung eines
elektrischen Bordnetzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und
ein elektrisches Bordnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs. Das Verfahren
ist insbesondere für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs
anwendbar. Für die Versorgung der Verbraucher des Bordnetzes
umfasst dieses üblicherweise eine Speichereinrichtung für
elektrische Energie, insbesondere eine Batterie, sowie einen von dem
Motor des Kraftfahrzeugs angetriebenen Generator, der mechanische
Energie in elektrische Energie umwandelt und diese für
das Bordnetz bereitstellt. Das elektrische Bordnetz eines modernen Kraftfahrzeugs
umfasst eine Vielzahl elektrischer Verbraucher, die beispielsweise
hinsichtlich Zuverlässigkeit, Leistung, Spannungsqualität
oder gewünschter Spannungshöhe sehr unterschiedliche Anforderungen
an das Bordnetz stellen. Mit einem herkömmlichen Bordnetz,
im Folgenden als Basisbordnetz bezeichnet, das beispielsweise mit
nur einer Sollspannung von etwa 14 Volt betrieben wird, können
diese unterschiedlichen Anforderungsprofile, insbesondere auch unter
Kostengesichtspunkten, immer schwerer erfüllt werden.
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Es
wurde bereits versucht, abgewandelte Teilnetze mit einem Basisbordnetz
zu koppeln, um auf diese Weise unterschiedliche Anforderungen elektrischer
Verbraucher erfüllen zu können. Unterscheiden
sich dabei die Spannungsebenen von Basisbordnetz und gekoppeltem
Teilnetz, so wurde die Kopplung zwischen den genannten Netzen mit
Hilfe von DC/DC-Wandlern durchgeführt. Diese Lösung
ist jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer. Hohe Kosten und
Raumbedarf entstehen insbesondere durch die in den Wandlern eingesetzten
Transformatoren und Drosseln, die bei hohen Strömen und
Leistungen groß und schwer sind. So muss beispielsweise
die energieführende Drossel eines Drossel-Hochsetzstellers
für den maximal auftretenden transienten Spitzenstrom dimensioniert
werden.
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Ein
anderer bekannter Lösungsansatz besteht darin, einen freien
Generatorbetrieb für die Versorgung von Hochstromverbrauchern
zu realisieren. In diesem Fall variiert die Generatorspannung zumindest
zeitweilig in einem Bereich von beispielsweise 12 V bis 42 V. Ein
wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die
Spannung im freien Generatorbetrieb nicht geregelt wird und die
elektrischen Verbraucher daher auf einen großen Spannungsbereich
hin ausgelegt werden müssen.
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Zur
Erzeugung der im Kraftfahrzeug benötigten Energie werden
heute üblicherweise Klauenpolgeneratoren eingesetzt. Hierbei
handelt es sich um Drehstromgeneratoren, deren Ausgangsstrom mit Hilfe
einer Diodenbrücke gleichgerichtet wird, da das Bordnetz
mit Gleichstrom betrieben wird. Ein derartiger Drehstromgenerator
umfasst eine Feldspule, die von dem Feldstrom durchflossen wird.
Der Feldstrom wird mit Hilfe eines Spannungsreglers so geregelt, dass
die Ausgangsspannung des Generators unabhängig von der
Drehzahl des Generators in etwa konstant ist. Die Höhe
der Spannung, auf die geregelt wird, wird üblicherweise
so gewählt, dass sie zur Ladung der Batterie geeignet ist.
Abhängig von verschiedenen Bedingungen liegt die Spannung
etwa zwischen 12 und 14,5 V. Bei einem modernen Bordnetz besteht
das Problem, dass eine Bordnetzspannung von 12 V für eine
große Anzahl von Verbrauchern oder für Verbraucher
mit hohem Leistungsbedarf nicht mehr ausreicht. Zusätzlich
zu einem so genannten Basisbordnetz mit der zuvor genannten Spannungsebene
werden daher Teilbordnetze vorgesehen, die mit einer höheren
Bordnetzspannung von beispielsweise 42 V operieren. Insbesondere
zur Versorgung der Verbraucher in diesen Teilbordnetzen sind Lösungen
bekannt, bei denen ein Generator auf eine höhere Ausgangsspannung
von beispielsweise rund 42 V geregelt wird. Diese höhere
Spannung wird dann direkt dem Teilbordnetz bzw. den in diesem Teilbordnetz
angeordneten Verbrauchern zur Verfügung gestellt, die für
diese höhere Ausgangsspannung ausgelegt sind. Die für
die Ladung der Batterie und/oder die Versorgung von Verbrauchern
mit niedriger Versorgungsspannung benötigte niedrigere Spannung
wird dann üblicherweise mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers
(DC/DC-Wandler) aus der höheren Spannung abgeleitet. Herkömmliche DC/DC-Wandler
benötigen neben Leistungstransistoren, Dioden und Kondensatoren
auch noch induktive Bauelemente und sind daher relativ aufwendig. Dies
gilt für transformatorische Wandler mit Übertrager
und Glättungsdrossel und für potentialgebundene
Drosselwandler mit einer Speicherdrossel. Bei einer Auslegung für
hohe Strombelastung bzw. Leistungsanforderung sind diese Bauelemente
groß schwer und teuer. Beispielsweise muss die energieführende
Drossel eines Drossel-Hochsetzstellers entsprechend dem maximal
auftretenden transienten Spitzenstrom dimensioniert werden.
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Aus
DE 198 45 569 A1 sind
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Generators, beispielsweise
eines Klauenpolgenerators, bekannt, mit dem die sich an den Generator
anschließende Gleichrichterbrücke kurzzeitig kurzgeschlossen
werden kann, wodurch in den Ständerinduktivitäten
Energie zwischengespeichert wird, die zu höheren Strangspannungen
führt. Durch geeignete Wahl der Ansteuerfrequenz für
einen Transistor, der das Kurzschließen der Diodenbrücke
ermöglicht, lässt sich eine Ausgangsspannung des
Generators auf einem gewünschten Spannungsniveau einstellen,
das gegenüber der herkömmlichen Bordnetzspannung deutlich
höher liegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes elektrisches
Bordnetz anzugeben, das es ermöglicht, eine Vielzahl elektrischer
Verbraucher mit unterschiedlichen Anforderungen betriebssicher zu
versorgen und das dabei kostengünstig realisierbar ist.
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Technische Lösung
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Ausgehend
von einem Bordnetz der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Dabei
geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein optimaler Betrieb
eines mehrere Teilnetze umfassenden Bordnetzes durch die Wahl unterschiedlicher
Betriebsmodi ermöglicht wird, wobei in einem ersten Betriebsmodus
lediglich ein für eine niedrige Spannung ausgelegtes Teilnetz
(Basisbordnetz) mit dem Generator bzw. Generatorsteller und in einem
zweiten Betriebsmodus ein für eine höhere Spannung
ausgelegtes Teilnetz mit dem Generator bzw. mit dem Generatorsteller
verbunden werden.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Das
durch die erfinderische Lösung bereitgestellte Bordnetz
ermöglicht die Versorgung zahlreicher elektrischer Verbraucher,
die zum Teil in einem so genannten Basisbordnetz mit einer herkömmlichen
vergleichsweise niedrigen Spannung von etwa 14 V und die zum Teil
in mindestens einem weiteren Teilbordnetz angeordnet sind, dessen
Spannung sich von derjenigen des Basisbordnetzes unterscheidet, insbesondere
höher ist als diese und beispielsweise 42 V beträgt.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht
somit in vorteilhafter Weise die Einspeisung elektrischer Energie
sowohl in ein Basisbordnetz als auch in mindestens ein weiteres
Teilbordnetz. Abweichend von bisher bekannten Lösungen
erfolgt die Versorgung der genannten Bordnetze nicht mit einzelnen
DC/DC-Wandlern, die die erforderlichen Spannungen für die
Teilnetze bereitstellen, sondern mit Hilfe eines Generators mit
abschaltbarer Hochsetzfunktion. In vorteilhafter Weise kann dabei
der für die Energieversorgung vorgesehene Generator als konventioneller
Generator für die Versorgung des Basisbordnetzes betrieben
werden. Zusätzlich kann der Generator mit nachgeschaltetem
Generatorsteller wahlweise elektrische Energie in ein Teilnetz oder mehrere
Teilnetze einspeisen, die für eine höhere Spannung
ausgelegt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der
Einspeisung in ein Teilnetz, dessen Spannung höher ist
als die Spannung des Basisbordnetzes, die Ausgangsleistung des Generators
stark erhöht werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kosten im Vergleich zu
einem Bordnetz mit einem oder mehreren DC/DC-Wandlern erheblich
reduziert werden können, da der Generatorsteller die Spannungswandlung
für die Versorgung von Teilbordnetzen mit höherer
Spannung übernehmen kann. Dabei kann mittels der Hochsetzfunktion
des Generatorstellers Energie in ein Teilbordnetz mit höherer
Spannung von beispielsweise 42 V auch bei sehr niedriger Drehzahl
des Generators eingespeist werden. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass die Spannung bei Einspeisung in ein Teilbordnetz oder
mehrere Teilbordnetze mit einer höheren Spannung auf einen
vorgebbaren Wert geregelt werden kann. Die Umschaltung zwischen
den verschiedenen Betriebsarten, also der Speisung des Basisbordnetzes
bzw. der Speisung der Teilbordnetze, erfolgt in vorteilhafter Weise
mittels steuerbarer Schalter. Durch Zwischenschaltung eines kostengünstigen
Spannungswandlers geringer Leistung zwischen ein für eine
höhere Spannung ausgelegtes Teilnetz und ein für
eine niedrigere Spannung ausgelegtes Teilnetz kann das letztgenannte
Teilnetz weiterhin vorteilhaft kontinuierlich mit Energie versorgt
werden. Besonders vorteilhaft kann ein für eine höhere
Spannungsebene ausgelegtes Teilnetz des Bordnetzes auch einen Energiespeicher
in Gestalt eines Doppelschichtkondensators umfassen. Diese Ausführungsform
eignet sich besonders für die Speicherung der mittels Rekuperation gewonnenen
Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs. Weitere Vorteile ergeben sich
aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher
erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
Bordnetz für unterschiedliche Spannungen mit einem Generatorsteller
und einem DC/DC-Wandler;
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2 eine
erste beispielhafte Ausführung eines Generatorstellers;
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3 eine
zweite beispielhafte Ausführung eines Generatorstellers;
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten
Teilnetzen;
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5 ein
Diagramm mit Darstellung der Ausgangsleistung als Funktion der Drehzahl
des Generatorstellers bei Einspeisung in ein Teilnetz des Bordnetzes;
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6 ein
weiteres Diagramm mit Darstellung der Ausgangsleistung als Funktion
der Drehzahl des Generatorstellers;
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7 ein
Diagramm mit Darstellung des Wirkungsgrads als Funktion der Drehzahl;
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8 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten
Teilnetzen;
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9 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit drei gekoppelten
Teilnetzen;
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10 ein
viertes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten
Teilnetzen;
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11 ein
fünftes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit
zwei gekoppelten Teilnetzen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 sind
zunächst die für das Verständnis der
Erfindung wesentlichen Bestandteile eines Bordnetzes für
ein Kraftfahrzeug mit mehreren Spannungen und einem Generator dargestellt.
Der Generator G, beispielsweise ein Klauenpolgenerator, umfasst
die Ständerinduktivitäten L1, L2, L3 sowie die die
Wicklungswiderstände repräsentierenden Widerstände
R1, R2, R3. Der Generator G erzeugt die Strangspannungen US1, US2,
US3, die aus den Polradspannungen U, U2, U3 und den Spannungen an den
Widerständen R1, R2, R3 und den Ständerinduktivitäten
L1, L2, L3 gebildet werden. Diese Spannungen führen zu
Strömen I1, I2, I3, die über die Diodenbrücke
DB gleichgerichtet werden und den Ausgangsstrom IG des Generators
G bilden, der zur Versorgung der Verbraucher in dem Bordnetz dient.
Die Regelung des Generators G erfolgt mit Hilfe eines Spannungsreglers
R, der den Feldstrom IF durch die Feldwicklung F so regelt, dass
sich eine vorgebbare Spannung einstellt. Dem Spannungsregler R werden Eingangssignale
E zugeführt, beispielsweise verschiedene Spannungen und/oder
Ströme, die Drehzahl des Generators G, usw. Weiterhin ist
der Spannungsregler R in der Lage, Ausgangssignale A abzugeben,
mit deren Hilfe beispielsweise Schalter oder ähnliches
betätigt werden können. An den Generator G schließt
sich eine Schaltungsanordnung SCH an, die hier einen Transistor
T, eine Diode D und einen Kondensator C umfasst. Die Schaltungsanordnung SCH
ermöglicht eine Regelung des Generators G, indem der Transistor
T, der parallel zu der Diodenbrücke DB liegt, zeitweise
die Diodenbrücke DB kurzschließt. Der Schaltzustand
des Transistors T wird beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulationsstufe
gesteuert, die in den Regler R integriert ist. Durch kurzzeitiges
Kurzschließen der Diodenbrücke DB mit Hilfe des
Transistors T wird der Energiefluss von dem Generator G zu den im
Stromkreis folgenden Komponenten des Bordnetzes unterbrochen. Dadurch
wird Energie in den Ständerinduktivitäten L1,
L2, L3 des Generators G zwischengespeichert. Die Diode D1 verhindert
dabei, dass Strom zurückfließt und im Stromkreis
folgende Komponenten kurzschließt. Sobald der Transistor
T in den Sperrzustand gesteuert wird, wird die in den Ständerinduktivitäten L1,
L2, L3 gespeicherte Energie in Form induzierter Spannungen freigegeben,
die sich zu den jeweiligen Polradspannungen U1, U2, U3 addieren.
Dies hat eine höhere Ausgangsspannung des Generators G zur
Folge. Durch entsprechende Steuerung des Transistors T kann beispielsweise
auf eine Ausgangsspannung von 42 V geregelt werden. Der Kondensator
C an dem Ausgang der Schaltungsanordnung SCH dient zur Glättung
des gepulsten Ausgangsstroms. Eine Schaltung wie die Schaltungsanordnung
SCH wird auch, zusammen mit dem Generator, als Generatorsteller
oder Generatorhochsetzsteller bezeichnet. Wenn die Regelung des
Generators G mit Hilfe der Schaltungsanordnung SCH erfolgt, entsteht,
wie zuvor schon erwähnt, an dem Ausgang der Schaltungsanordnung
SCH eine Spannung, die gegenüber der herkömmlichen
Spannung des Generators G wesentlich erhöht ist. Mit diesem Teil
des Bordnetzes werden Verbraucher R4 versorgt, die für
diese hohe Spannung ausgelegt sind und eine hohe Leistung benötigen.
Beispielsweise kann es sich um die Scheibenheizung eines Fahrzeugs
handeln. Für den Betrieb von Verbrauchern R5, die für
eine herkömmliche, niedrige Spannung eines Bordnetzes von
beispielsweise 12 V ausgelegt sind, ist eine Herabsetzung des höheren
Spannungspegels auf diesen niedrigeren Wert notwendig. Dies wird
mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers DCW erreicht. Jede Spannungsebene
des hier dargestellten Bordnetzes besitzt eine eigene Batterie,
die in 1 mit B42 und B12 bezeichnet sind. Nachteilig
ist hier der notwendige Einsatz eines Spannungswandlers DCW, der
insbesondere bei einem hohen Leistungsbedarf in dem Niedervoltteil
des Bordnetzes groß und teuer ist. Die Erfindung zeigt
nun Lösungen auf, wie dieser Nachteil durch ein verbessertes
Bordnetz überwunden werden kann.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnung
näher erläutert. Dabei wird zunächst
auf die in 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele von Generatorstellern eingegangen.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Generatorstellers 20.
Der Generatorsteller 20 umfasst einen Generator 10.
Mit dem Generator 10 ist eine Schaltungsanordnung 10.1 verbunden,
die drei Dioden D1, D2, D3, drei Transistoren T1, T2, T3 und einen
Kondensator C1 umfasst. Bei den Transistoren handelt es sich vorzugsweise
um MOSFET-Transistoren. Am Anschluss A1 der Schaltungsanordnung
kann ein vorzugsweise pulsweitenmoduliertes Steuersignal angelegt
werden, das die als Schalter wirkenden Transistoren T1, T2, T3 ansteuert.
Die Schaltungsanordnung 10.1 arbeitet dann als Hochsetzsteller
und ermöglicht so die Erzeugung einer höheren
Spannung für die Speisung eines Teilbordnetzes, das ein
höheres Spannungsniveau als ein Basisbordnetz benötigt.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Generatorstellers 30.
Dessen Ausführung entspricht im Wesentlichen dem schon
in 1 dargestellten Generatorsteller. An einen Generator 10 schließt
sich eine B6-Brücke DB für die Gleichrichtung
des Generatorstroms an. Die darauf folgende Schaltungsanordnung 10.2 umfasst
neben einer Diode D7 und einem Kondensator C1 einen Transistor T4,
insbesondere einen MOSFET-Transistor. Der Transistor T4 ist über
ein an den Anschluss A1 angelegtes Steuersignal, vorzugsweise ein
pulsweitenmoduliertes Steuersignal, steuerbar. Bei pulsweitenmodulierter
Ansteuerung des Transistors T4 durch das Steuersignal steht an dem
Ausgang der Schaltungsanordnung 10.2 eine hochgesetzte
Spannung UG für die Speisung eines
für ein höheres Spannungsniveau ausgelegten Teilbordnetzes
an.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes 40 mit
zwei gekoppelten Teilnetzen BBN und TBN. Das Teilnetz BBN wird auch
als Basisbordnetz bezeichnet. BBN ist ein herkömmliches Bordnetz,
das bei der üblichen Spannung von UB = 14 V betrieben wird.
Das vereinfacht dargestellte Basisbordnetz BBN umfasst einen Starter
S, eine erste Batterie B1 und elektrische Verbraucher Rv.
Das bei der höheren Spannung UT > UB betriebene Teilnetz TBN umfasst eine
zweite Batterie B2 und mindestens einen elektrischen Verbraucher
RT. Dieser elektrische Verbraucher RT kann auch stellvertretend
für eine größere Anzahl elektrischer
Verbraucher stehen, die über das Teilnetz TBN versorgt
werden. Abhängig von der Betriebsführung und der
Charakteristik der elektrischen Verbraucher RT kann die Batterie B2
wahlweise entfallen oder aber durch einen anderen Speicher für
elektrische Energie, wie insbesondere einen Doppelschichtkondensator,
ersetzt werden. Für die Versorgung der beiden Teilnetze
TBN und BBN ist ein Generator mit Generatorsteller vorgesehen. Als
Generatorsteller kann vorteilhaft der in 2 dargestellte
Generatorsteller 20 oder der in 3 dargestellte
Generatorsteller 30 eingesetzt werden. Der Generator G
des Generatorstellers 20, 30 kann vorteilhaft
als Klauenpolgenerator ausgebildet sein. Die von dem Generatorsteller 20, 30 abgegebene
Ausgangsspannung ist mit UG bezeichnet.
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Das
Teilnetz TBN ist über eine in Flussrichtung gepolte Diode
D8 mit dem Ausgang des Generatorstellers 20, 30 verbunden.
Die Kopplung des Teilnetzes BBN mit dem Generatorsteller 20, 30 erfolgt über
einen Schalter S1. Dieser Schalter S1 kann beispielsweise als Halbleiterschalter
oder als Relais ausgeführt sein.
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Im
Folgenden wird die Betriebsweise des in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Betriebsweise wird
beispielhaft für eine Ausführungsform nach 2 mit
dem Generatorsteller 20 dargestellt. Für die Ausführungsform
mit dem Generatorsteller 30 gilt entsprechendes. Erfordert
die gewählte Betriebsstrategie, dass Energie in das Teilnetz
BBN eingespeist werden soll, so wird die Ausgangsspannung UG des
Generatorstellers 20 auf die Betriebspannung UB dieses
Teilnetzes geregelt. Es gilt also UG = UB. Der Schalter S1 ist in
diesem Fall geschlossen. In diesem ersten Betriebsmodus BM1 sind
als Schaltmittel vorgesehene MOSFET-Transistoren T1, T2, T3 derart
gesteuert, dass sie gesperrt sind. Der Generatorstrom wird in diesem
Betriebsfall durch eine passive B6-Brücke gleichgerichtet.
Die B6-Brücke besteht aus den Dioden D1, D2, D3 und den
zeichnerisch nicht dargestellten Rückwärtsdioden
T1.1, T2.1, T3.1 der als Schaltmittel vorzugsweise eingesetzten
MOSFET-Transistoren T1, T2, T3. In einer Ausführungsvariante
können für die Gleichrichtung zusätzliche
Dioden vorgesehen sein, die parallel zu den MOSFET-Transistoren
T1, T2, T3 geschaltet sind. Die Regelung der Ausgangsspannung UG
des Generatorstellers 20 erfolgt vorteilhaft mit Hilfe
des Erregerstroms des Generators G.
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Soll
in einem zweiten Betriebsmodus BM2 elektrische Energie in das Teilnetz
TBN eingespeist werden, so wird der Schalter S1 geöffnet.
Weiterhin wird die Ausgangsspannung des Generatorstellers 20 auf
eine Spannung UG = (UT + UD) mit UD > 0 geregelt. Bei niedriger Drehzahl des
Generators G werden dazu die MOSFET-Transistoren T1, T2, T3 des Generatorstellers 20 derart
gesteuert, dass elektrische Energie in das Teilnetz TBN eingespeist
wird. Die Steuerung der Transistoren T1, T2, T3 kann dabei vorteilhaft
durch ein pulsweitenmoduliertes Signal erfolgen. In diesem Betriebsmodus
wird der Generatorsteller 20 in Hochsetzfunktion betrieben.
Ist die Drehzahl des Generators G so hoch, dass die Ausgangsspannung
UG des Generators G auch bei passiver B6-Brückenschaltung
die Spannung UT + UD mit UD > 0
erreicht, dann wird die Hochstellerfunktion des Generatorstellers 20 abgeschaltet.
Die MOSFET-Transistoren T1, T2, T3 werden in diesem Betriebsmodus
derart gesteuert, dass sie sperren. Der Wert der Drehzahl, bei dem
die Umschaltung zwischen dem Hochsetzstellerbetrieb und der B6-Gleichrichtung
erfolgt, kann entsprechend der gewählten Betriebsstrategie
durch Variation des Erregerstroms des Generators G verändert
werden. Bei abgeschalteter Hochsetzfunktion wird die Ausgangsspannung
nur durch den Erregerstrom des Generators G auf den Sollwert geregelt.
Der prinzipielle Verlauf der Ausgangsleistung in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Generators G bei Einspeisung in ein Teilnetz
mit U = UT > UB ist
für einen festen Erregerstrom in 5 dargestellt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine
Erhöhung der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrads bei
Einspeisung von Energie in ein Teilnetz möglich ist. Beispielhaft
ist die mögliche Erhöhung der verfügbaren Ausgangsleistung
in 6 dargestellt, die die Ausgangsleistung als Funktion
der Drehzahl des Generators für einige ausgewählte
Drehzahlwerte zeigt. Der jeweils linke Balken repräsentiert
dabei die Ausgangsleistung eines auf eine Ausgangsspannung von 14
V ausgelegten Generators beim Betrieb mit einer passiven B6-Brücke.
Der jeweils rechte Balken repräsentiert die Ausgangsleistung
desselben Generators bei Einspeisung in ein Teilnetz mit einer Betriebsspannung
von 42 V. Bei einer Drehzahl des Generators G von beispielsweise
6000 U/min ist die Ausgangsleistung um ein Vielfaches höher. 7 zeigt
weiter ein Diagramm mit Darstellung des Wirkungsgrads als Funktion
der Drehzahl des Generators G. Der linke Balken in dem Diagramm
repräsentiert jeweils den Wirkungsgrad des Generators G
bei Einspeisung in das Teilnetz BBN mit der Betriebsspannung UB
= 14 V. Der jeweils rechte Balken repräsentiert den Wirkungsgrad
bei Einspeisung in das Teilnetz TBN mit der höheren Spannung
UT. Während der Wirkungsgrad bei einer Drehzahl von n = 1800/min
der Wirkungsgrad bei Einspeisung in beide Teilnetze BBN, TBN in
etwa gleich ist, zeigt das Diagramm einen erheblichen Anstieg des
Wirkungsgrads mit zunehmender Drehzahl bei Einspeisung in das Teilnetz
TBN.
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Das
in 8 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel
eines aus zwei gekoppelten Teilnetzen BBN und TBN bestehenden Bordnetzes
unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle der Diode D1
ein Schalter S2 vorgesehen ist.
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9 zeigt
eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung, die neben
der Versorgung eines Basisbordnetzes BBN, die Versorgung mehrer Teilnetze
TBN1, TBN2 mit von der Spannung des Basisbordnetzes BBN abweichenden
Spannungen ermöglicht. Die Struktur des Basisbordnetzes
BBN entspricht wiederum derjenigen, die schon im Zusammenhang mit
den in 4 und 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen
beschrieben worden ist. Auch das Teilnetz TBN1 entspricht im Wesentlichen
dem schon in 4 und 8 dargestellten
Teilnetz TBN. Wie 9 zeigt, ist in dieser Weiterbildung
der Erfindung zusätzlich ein zweites Teilnetz TBN2 vorgesehen.
Dieses vereinfacht dargestellte Teilnetz TBN2 umfasst, neben einem
weiteren Schalter S3, eine Batterie B3 und einen elektrischen Verbraucher
RT2. Die Spannungen UT1, UT2 der Teilnetze TBN1, TBN2 können,
abhängig von den Anforderungen der elektrischen Verbraucher,
RT1, RT2, unterschiedlich oder von gleicher Höhe sein.
Dabei gilt aber, dass die Spannungen UT1, UT2 der Teilnetze TBN1,
TBN2 größer sind als die Spannung UB des Basisbordnetzes
BBN. Die Steuerung der jeweiligen Betriebsmodi für die
Versorgung der Teilnetze BBN, TBN1, TBN2 erfolgt mittels der genannten
Schalter S1, S2, S3.
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Die
in 10 dargestellte vierte Ausführungsform
der Erfindung eignet sich besonders für die Rückgewinnung
elektrischer Energie durch Rekuperation bei dem Abbremsen des Fahrzeugs.
Anstelle einer Batterie B2 kann in dem Teilnetz TBN vorteilhaft
ein kapazitiver Energiespeicher, insbesondere ein Doppelschichtkondensator
DCAP eingesetzt werden. Während eines Bremsvorgangs wandelt
der Generatorsteller 20, 30 die durch den Bremsvorgang entstehende
kinetische Energie in elektrische Energie um und speist diese in
das Teilnetz TBN ein, das mit einer höheren Spannung UT
betrieben wird. Wie schon unter Bezug auf 6 und 7 erläutert,
erfolgt in diesem Fall die Rückspeisung von elektrischer
Energie mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad. Daher ist mit
dieser Erfindung eine sehr wirkungsvolle Rekuperation von Bremsenergie
möglich. Der Doppelschichtkondensator DCAP speichert die
gewonnene Energie und kann damit Verbraucher RT versorgen, die eine
höhere Betriebsspannung UT benötigen.
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Eine
vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung wird im Folgenden
unter Bezug auf 11 dargestellt. Im Unterschied
zu der in Figur G dargestellten Ausführungsform ist hier
zusätzlich ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler DC1) vorgesehen,
der zwischen beide Teilnetze BBN und TBN geschaltet ist. Der Gleichspannungswandler DC1
setzt die höhere Spannung UT des Teilnetzes TBN in die
niedrigere Spannung UB des Teilnetzes BBN um und speist dieses mit
elektrischer Energie, die aus dem Doppelschichtkondensator DCAP1
entnommen wird. Da die aus dem Doppelschichtkondensator DCAP1 entnommene
Energie über einen längeren Zeitraum hinweg in
das Teilnetz BBN eingespeist werden kann, ist es möglich,
einen DC/DC-Wandler DC1 mit vergleichsweise kleiner Leistung einzusetzen,
der kostengünstig herstellbar ist.
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Im
Rahmen der Erfindung sind weitere Ausführungsvarianten
denkbar, die beispielsweise mehr als zwei Teilnetze mit von der
Spannung des Basisbordnetzes BBN abweichenden Spannungen umfassen.
Die Komponenten bzw. Bauelemente für die Steuerung diverser
Teilnetze können getrennt von dem Generatorsteller 20, 30 bzw.
getrennt von dem Generator G angeordnet sein. In einer besonders vorteilhaften
und raumsparenden Ausführungsvariante können diese
Komponenten jedoch auch in enger räumlicher Nachbarschaft
zu dem Generatorsteller 20, 30 bzw. dem Generator
G, insbesondere baulich mit diesen integriert, angeordnet sein.
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Neben
der Verschaltung der Strangwicklungen des Generators G in Dreieckschaltung
kann auch eine Verschaltung der Strangwicklungen in Sternschaltung
vorgesehen sein.
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Der
Generator G kann vorteilhaft als Klauenpolgenerator ausgebildet
sein. Wahlweise können jedoch auch Generatoren in anderer
Bauweise, beispielsweise Synchronmaschinen, eingesetzt werden. Möglich
ist auch ein Einsatz von Generatoren mit mehr als drei Strangwicklungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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