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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug.
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Durch
eine Parallelschaltung von Energiespeichern im Fahrzeugenergiebordnetz
kann die Spitzenleistungsfähigkeit und die Energiebordnetzstabilität
erhöht werden. In der
WO 002008014944 A1 ist beispielsweise offenbart,
kapazitive Energiespeicher, wie Doppelschichtkondensatoren, parallel zum
Energiebordnetz einzusetzen, um die Bordnetzspannung zu stabilisieren.
Große kapazitive Energiespeicher, wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren,
müssen über eine Vorladeschaltung ungefähr
auf Bordnetzspannung geladen werden, bevor diese an das Energiebordnetz
angekoppelt werden können. Dadurch werden hohe Ausgleichsströme vermieden,
die zur Schädigung der Energiespeicher sowie der Zuleitungen
oder unzulässigen Spannungseinbrüchen im Energiebordnetz
führen könnten. Zum Vorladen sowie Entladen der
Doppelschichtkondensatoren werden üblicherweise bidirektionale
Gleichspannungswandler verwendet. Die Umsetzung und Integration
von Gleichspannungswandlern stellt üblicherweise einen
beträchtlichen technischen und wirtschaftlichen Aufwand
dar. Der Einsatz von getakteten Gleichspannungswandlern birgt zudem
Risiken wie EMV-Störungen. Außerdem befindet sich
der Gleichspannungswandler zum Laden und Entladen eines Energiespeichers
meistens im deaktivierten Zustand und muss trotzdem für
hohe Leistungen ausgelegt werden, um die Systemverfügbarkeit
von Bordnetzstützungsmaßnahmen mittels zusätzlicher
Energiespeicher zu erhöhen.
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Die
Alterung von Doppelschichtkondensatoren ist hauptsächlich
von der Temperatur, sowie der Polarisationsspannung abhängig.
Um die Lebensdauer des Energiespeichers zu erhöhen wird
nun beispielsweise die folgende der Erfindung zu Grunde liegende
Betriebsstrategie angestrebt:
Im Ruhezustand des Fahrzeugs
(keine Bordnetzstabilisierung notwendig), wird der Doppelschichtkondensator
vom Bordnetz getrennt und entladen. An die Geschwindigkeit des Entladevorgangs
sind keine besonderen Anforderungen gestellt, da die Standphase meist
lange gegenüber dem Entladevorgang ist (mittlere Standzeit
ca. 8 Stunden, Entladen eines 100 F Stacks um 5 V in 10 min erfordert
einen Entladestrom von kleiner 1 A). Durch die geringere Polarisationsspannung
in der Standzeit wird die Lebensdauer des Doppelschichtkondensators
erhöht.
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Wenn
das Fahrzeug geweckt wird (z. B. Türöffnen) kann
davon ausgegangen werden, dass der Doppelschichtkondensator als
bordnetzstabilisierender Energiespeicher in Kürze benötigt
wird, beispielsweise für einen kurz darauf folgenden Motorstart. Wenn
der Doppelschichtkondensator aufgrund geringer Polarisationsspannung
noch nicht parallel zum Bordnetz geschaltet werden kann (unzulässig
hohe Ausgleichsströme), und dementsprechend die Funktion
der Bordnetzstabilisierung noch nicht verfügbar ist, kann
es beispielsweise im Falle eines Motorstarts zur Funktionseinschränkung
oder Ausfall von kundenrelevanten Funktionen kommen (Flackern von Lichtern,
Ausfall Radio und Navigation). Daher wird ein hoher, aber limitierter
Ladestrom für den Doppelschichtkondensator gefordert, um
eine schnelle Funktionsverfügbarkeit des zu erreichen,
so dass der Doppelschichtkondensator beispielsweise innerhalb einer
Minute auf Bordnetzspannung geladen wird. Daher schlägt
beispielsweise das System aus der
WO 002008014944 A1 den
Einsatz eines Spannungswandlers mit einem Ladestrom von ca. 50 A vor.
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Eine
lange Vorladezeit des Doppelschichtkondensators bedeutet eine eingeschränkte
Funktionsverfügbarkeit und mindert den Nutzen der Bordnetzerweiterung
beträchtlich. Eine kurze Vorladezeit bedeutet einen hohen
Aufwand in der Vorladeschaltung. Die Vorladung über mehrere
schaltbare Leistungswiderstände hat gewöhnlich
eine lange Vorladezeit zur Folge. Diese Lösungsmöglichkeit
wird daher ausgeschlossen. Eine Vorladung über Leis tungswiderstände
mit unterschiedlichen Werten, um die Vorladezeit zu verkürzen,
bedeutet einen beträchtlichen Aufwand für die
Schalter und Leistungswiderstände. Zudem ist die Abwärme,
die ein Leistungswiderstand erzeugt, beträchtlich was zu
thermischen Problemen im Bauraum führen kann (Alterung
der Energiespeicher bei hohen Temperaturen).
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber
dem Stand der Technik verbessertes Kraftfahrzeug anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, einen insbesondere kapazitiven
Energiespeicher über einen Verbraucher vorzuladen, dessen
Widerstand mit abnehmender am Verbraucher abfallender Spannung zumindest über
einen Teilbereich, insbesondere zumindest über einen Teilbereich
(vorzugsweise mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40% oder
mindestens 50%) der Vorladezeit oder zumindest über einen
Teilbereich (vorzugsweise mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens
40% oder mindestens 50%) des Vorlade-Spannungsbereichs abnimmt,.
Dadurch kann mit geringem Aufwand ein hoher relativ gleichmäßiger
Vorladestrom erreicht werden, und damit eine schnelle und zuverlässige Vorladung
des Energiespeichers erreicht werden.
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Ein
bevorzugtes Kraftfahrzeug umfasst ein Bordnetz mit einem elektrischen
Verbraucher, dessen Widerstand zumindest über einen Teilbereich
mit abnehmender am Verbraucher abfallender Spannung abnimmt, mit
einem insbesondere kapazitiven Energiespeicher (Speicher für
elektrische Energie), wie beispielsweise einem Kondensator, insbesondere
Doppelschichtkondensator oder einem Akku, insbesondere einem Li-Ionen-Akku.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich insbesondere um einen weiteren
Energiespei cher, der neben dem eigentlichen Energiespeicher des
Bordnetzes, insbesondere zu Stützung des Bordnetzes, vorgesehen
ist. Eine Schalteinrichtung ist derart ausgeführt und mit
dem Bordnetz, dem Verbraucher und dem Energiespeicher verbunden
oder verbindbar, dass der Energiespeicher in einer ersten Schaltstellung
und einer zweiten Schaltstellung der Schalteinrichtung parallel zum
Bordnetz geschaltet ist, dass der Energiespeicher in der zweiten
Schaltstellung der Schalteinrichtung in Serie zu dem Verbraucher
geschaltet ist, und dass der Energiespeicher in der ersten Schaltstellung
der Schalteinrichtung nicht in Serie zu dem Verbraucher geschaltet
ist.
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Dadurch
können der Energiespeicher und/oder das Bordnetz durch
ein Schalten der Schalteinrichtung in die erste Schaltstellung in
einen Normalbetriebszustand geschaltet werden und durch ein Schalten
der Schalteinrichtung in die zweite Schaltstellung in den Vorladebetriebszustand
geschaltet werden. Im Normalbetriebszustand wird das Bordnetz durch
den vorgeladenen Energiespeicher gestützt. Im Vorladebetriebszustand
wird der Energiespeicher durch das Bordnetz vorgeladen, wobei der
Strom aber durch den Widerstand des Verbrauchers begrenzt wird,
insbesondere derart, dass der Vorladestrom relativ konstant ist,
insbesondere konstanter als beim Einsatz eines einfachen Leistungswiderstandes
zur Begrenzung des Vorladestromes.
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Die
Widerstandskennlinie des Verbrauchers ist vorzugsweise nichtlinear,
und verläuft insbesondere derart, dass der Verbraucherstrom
auf einen – für den Energiespeicher, das Bordnetz
und/oder die Verbindungen – zulässigen Maximalwert
begrenzt ist. Vorzugsweise ergibt sich der Effekt des – mit
abnehmender am Verbraucher abfallender Spannung – abnehmenden
Widerstandes aufgrund einer Abkühlung des Verbrauchers.
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Der
Verbraucher wird vorzugsweise zur Realisierung einer weiteren (neben
der Strombegrenzungsfunktion im Vorladebetriebszustand) fahrzeugtechni schen
Funktion eingesetzt. Dadurch kann insbesondere der für
die Realisierung der Erfindung erforderliche Hardware-Aufwand reduziert
werden.
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Als
besonders vorteilhaft erwies sich die Verwendung eines Verbrauchers,
der eine Heizung, insbesondere eine Heckscheibenheizung oder eine Frontscheibenheizung,
umfasst oder der ein Teil einer Heizung ist. Denn ein solcher Verbraucher
ist in Kraftfahrzeugen ohnehin vorhanden. Der Widerstand eines solchen
Verbrauchers ist vorzugsweise nichtlinear derart, dass der Verbraucherstrom
auf einen zulässigen Maximalwert für den Energiespeicher
das Bordnetz sowie der Verbindungen begrenzt ist und der Widerstand
dann mit abnehmender am Verbraucher abfallender Spannung insbesondere
aufgrund Abkühlung des Verbrauchers aufgrund der PTC-Charakteristik
(Positive Temperatur Charakteristik) abnimmt. Außerdem
ist der Widerstand eines solchen Verbrauchers derart dimensioniert
oder dimensionierbar, dass er zur Begrenzung des Vorladestroms in
Frage kommender Energiespeicher geeignet ist.
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Vorzugsweise
wird der Energiespeicher in einer dritten Schaltstellung der Schalteinrichtung
von dem Bordnetz getrennt. In diesem Zustand kann beispielsweise
der Energiespeicher entladen werden.
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Die
Schalteinrichtung wird vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar ausgelöst
durch ein Fahrzeug-Wecksignal in die zweite Schaltstellung geschaltet.
Das Fahrzeug-Wecksignal kann beispielsweise beim Aufsperren oder Öffnen
einer Fahrzeugtüre generiert werden.
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Alternativ
oder ergänzend dazu wird die Schalteinrichtung mittelbar
oder unmittelbar ausgelöst durch ein Fahrzeug-Schlafsignal
in die dritte Schaltstellung geschaltet. Das Fahrzeug-Schlafsignal
kann beispielsweise mit dem Verriegeln oder Schließen einer
Fahrzeugtüre generiert werden.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung mittelbar oder
unmittelbar ausgelöst durch ein Aufladen des Energiespeichers über einen
vorgegeben Grenzwert hinaus in die erste Schaltstellung geschaltet
wird. Dadurch wird das Kraftfahrzeug oder das Bordnetz vom Vorladebetriebszustand
in den Normalbetriebszustand geschaltet, wenn der Energiespeicher
ausreichend vorgeladen ist.
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Durch
eine vorteilhafte zweite Schalteinheit (Verbraucher-Schalteinheit)
ist der Verbraucher, insbesondere auch dann, wenn die erste Schalteinheit in
den ersten oder dritten Schaltzustand geschaltet ist, parallel zum
Bordnetz schaltbar ist.
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Die
beiden Schalteinheiten werden vorzugsweise derart angesteuert, dass
der Verbraucher nicht gleichzeitig durch beide Schalteinheiten parallel
zum Bordnetz geschaltet wird. Dadurch kann ein Kurzschluss verhindert
werden.
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Eine
Verbraucherfunktionsanzeige wird vorzugsweise nur dann aktiviert,
wenn der Verbraucher durch einen ausgedrückten Funktionswunsch
des Nutzers hinsichtlich des Verbrauchers aktiviert wird. Vorzugsweise
wird dei Verbraucherfunktionsanzeige nur dann aktiviert, wenn der
Verbraucher durch die zweite Schalteinheit (Verbraucher-Schalteinheit)
parallel zum Bordnetz geschaltet ist. Denn nur in diesem Fall besteht
ein durch eine Schließung der zweiten Schalteinheit (Verbraucher-Schalteinheit)
ausgedrückter Funktionswunsch des Nutzers hinsichtlich des
Verbrauchers. Die Funktion des Verbrauchers im Vorladebetrieb ist
durch den Nutzer nicht beabsichtigt und wird dem Nutzer daher auch
nicht angezeigt. Falls ein Vorladebetrieb stattfindet und der Nutzer
einen Funktionswunsch an den Verbraucher ausdrückt, ist
dieser bereits aktiviert (Funktionserfüllung) und wird
dementsprechend auch angezeigt. Eine Verbraucherfunktionsanzeige
die direkt an den Funktionswunsch des Nutzers gekoppelt ist, ist
deshalb vorteilhaft.
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Zudem
ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ein
insbesondere unidirektionaler Gleichspannungswandler zum Entladen
des Energiespeichers vorgesehen.
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Der
Verbraucher ist vorzugsweise räumlich getrennt vom Energiespeicher
ausgeführt, so dass während des Vorladens keine
Verlustwärme des Verbrauchers im Bauraum des Energiespeichers
abgegeben wird. Dies könnte die Leistungsfähigkeit
des Energiespeichers beeinträchtigen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgenden Figuren näher erläutert:
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1 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils eines Kraftfahrzeuges;
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2 zeigt
den vereinfachten zeitlichen Verlauf physikalischer Größen
in einem Kraftfahrzeug;
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3 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils eines Kraftfahrzeuges;
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4 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Schaltstellung einer Schalteinrichtung.
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1 zeigt
den für das Verständnis der Erfindung relevanten
Teil eines Kraftfahrzeuges mit einem Bordnetz BN, einem elektrischen
Energiespeicher DSK, insbesondere einem Doppelschichtkondensator,
und einem elektrischen Verbraucher V, insbesondere einer Heckscheibenheizung,
dessen Widerstand nichtlinear ist und mit abnehmender am Verbraucher
abfallender Spannung abnimmt. Das Bordnetz BN besteht typischerweise
aus Generator, Energiespeicher und Lasten.
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Eine
Schalteinrichtung S ist derart ausgeführt und mit dem Bordnetz
BN, dem Verbraucher V und dem Energiespeicher DSK gekoppelt, dass
der Energiespeicher DSK in einer ersten Schaltstellung 1 und
einer zweiten Schaltstellung 3 der Schalteinrichtung S
parallel zum Bordnetz BN geschaltet ist, dass der Energiespeicher
DSK in der zweiten Schaltstellung 3 in Serie zu dem Verbraucher
V geschaltet ist (Vorladebetriebszustand), und dass der Energiespeicher
DSK in der ersten Schaltstellung 1 nicht in Serie zu dem
Verbraucher V geschaltet ist (Normalbetriebszustand). In einer dritten
Schaltstellung 2 der Schalteinrichtung S wird der Energiespeicher
DSK von dem Bordnetz BN getrennt. Durch eine zweite Schalteinheit
SV ist der Verbraucher V parallel zum Bordnetz BN schaltbar, und
dadurch beispielsweise die Heckscheibenheizung aktivierbar.
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Der
Einsatz einer solchen Vorrichtung ermöglicht einen limitierten
Vorladestrom während des Vorladens eines kapazitiven Energiespeichers,
wie beispielsweise Doppelschichtkondensators, ohne einen Spannungswandler
als Energieflussstellglied einsetzen zu müssen. Der Energiespeicher
DSK wird durch den Wechselschalter S wahlweise parallel zum Energiebordnetz
BN geschaltet, vom Bordnetz BN getrennt oder an einen Verbraucher
im Energiebordnetz geschaltet, der eine nichtlineare Impedanzkennlinie,
insbesondere eine PTC (Positiver Temperatur Coeffizient) Charakteristik,
aufweist um den Stromfluss (Energiefluss) zu begrenzen und dabei
trotzdem den geforderten Vorladestrom über den gesamten
Vorladezustand erreicht. Ein thermischer Wärmeeintrag im
Bauraum des Energiespeichers DSK durch den Ladestrombegrenzer wird
vermieden, wenn ein extern vorhandener Verbraucher, wie beispielsweise
eine Heckscheibenheizung, als Ladestrombegrenzer verwendet wird.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Verwendung von Verbrauchern mit PTC-Charakteristik,
wie beispielsweise eine Heckscheibenheizung, als La destrombegrenzer.
Aufgrund der PTC-Kennlinie des Verbrauchers fällt der Widerstandwert
bei fallenden Temperaturen und damit in der Regel auch bei abnehmender
am Verbraucher abfallender Spannung ab. Dadurch ist auch bei kleinen
Spannungsdifferenzen des Energiespeichers bezogen auf das Bordnetz eine
hohe Ladeleistung möglich, beispielsweise wenn die Heckscheibenheizung
kalt ist, oder aufgrund eines fallenden Stromflusses und damit fallender
Lade-Leistung kälter wird. Die Wahl der Heckscheibenheizung
als Verbraucher ist auch deshalb vorteilhaft, weil einem Nutzer
die eigentlich vom Nutzer nicht gewollte Aktivierung der Heckscheibenheizung
lediglich zu Strombegrenzungszwecken nicht auffällt.
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Ein
beispielhafter zeitlicher Verlauf relevanter elektrischer Größen
bei einem Ladevorgang in Verbindung mit der oben erläuterten
Vorrichtung ist in 2 dargestellt. Es ist die Bordnetzspannung U_BN,
die Spannung des Doppelschichtkondensators U_DSK, die maximal zulässige
Zuschaltspannungsdifferenz 1 und der Ladestrom des Doppelschichtkondensators
I_DSK, der sich durch den nichtlinearen zeitlichen Widerstandsverlauf
R_V ergibt, dargestellt. Der Widerstandsverlauf R_V zeigt nach einem
anfänglichen Anstieg des Widerstandes über einen
weiten Teilbereich einen mit abnehmender am Verbraucher abfallender
Spannung abfallenden Widerstand.
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Der
geforderte Ladestrombereich sei mit 2 gekennzeichnet. Das
Vorladen bis zur zulässigen Zuschaltspannungsdifferenz 1 ist
somit aufgrund der nichtlinearen Charakteristik (PTC) des Verbrauchers im
geforderten Bereich (schnelles Vorladen). Eine hohe Funktionsverfügbarkeit
der Bordnetzerweiterung ist dadurch gegeben.
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Die
Vorrichtung gemäß 3 unterscheidet sich
von der Vorrichtung gemäß 1 durch
einen Gleichspannungswandler G zum Entladen des Energiespeichers
DSK beispielsweise vor Wartungsarbeiten am Bordnetz. Vorteilhaft
ist hierbei, dass der Gleichspannungswandler unidirektional aus geführt werden
kann. Zudem beziehen sich die Anforderungen an die Systemverfügbarkeit
hauptsächlich auf den Ladefall. Das Entladen kann langsam
erfolgen, wodurch die Leistungsfähigkeit des Gleichspannungswandlers
gering sein kann.
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4 zeigt
einen exemplarischen zeitlichen Verlauf des Schaltzustandes der
Schalteinrichtung S.
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Zunächst
wird die Schalteinrichtung S durch ein Fahrzeug-Wecksignal in die
zweite Schaltstellung 3 geschaltet. Im Vorladebetriebszustand
wird dann der Energiespeicher aufgeladen.
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Durch
ein Aufladen des Energiespeichers DSK über einen vorgegebenen
Grenzwert oder nach einer vorgegebenen Zeitdauer wird die Schalteinrichtung
S in die erste Schaltstellung 1 geschaltet. Im Normalbetriebszustand
wird dann das Bordnetz durch den Energiespeicher gestützt.
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Die
Schalteinrichtung S wird durch ein Fahrzeug-Schlafsignal in die
dritte Schaltstellung 2 geschaltet. In dieser Schaltstellung
wird der Energiespeicher entladen.
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Die
Betriebsstrategie der Heckscheibenheizung wird zudem folgendermaßen
angepasst, um diese zusätzlich als Vorladeschaltung verwenden
zu können:
Der Kundenwunsch „Heckscheibenheizung
An” (entspricht der Forderung Schalter SV schließen)
darf nicht ausgeführt werden, wenn die Heckscheibenheizung
bereits für eine Vorladung des Doppelschichtkondensators
genutzt wird. Denn die Schalteinrichtung S in Schaltstellung 3 und
geschlossener Schalter SV würde einen Kurzschluss des Doppelschichtkondensators
zur Folge haben. Eine Funktionseinschränkung oder Nichterfüllung
des Kundenwunsches ist aber nicht gegeben, weil während
der Funktion „Doppel schichtkondensator Vorladen” die
Heckscheibenheizung bereits aktiviert ist und damit der Kundenwunsch
erfüllt ist. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang
die Funktionsanzeige (Heckscheibenheizung AN) an den Kundenwunsch
zu koppeln (Funktionstasterstellung) und nicht an die Funktion der
Heckscheibe, weil sonst der Kunde die Aktivität der Heckscheibe
in ihrer Funktion als Vorladeschaltung als unplausibles Verhalten
deuten könnte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 002008014944
A1 [0002, 0004]