DE102008044420A1

DE102008044420A1 - Energieversorgungssystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008044420A1
Application number: DE102008044420A
Authority: DE
Inventors: Steven F. Canton Chorian; Venkateswa Anand Farmington Hills Sankaran
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CN104309493A; GB0813904D0; US20090051325A1; GB2452130A; US9007031B2; CN101372203A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für Kraftfahrzeuge, umfassend: eine Stromquelle zum Bereitstellen einer Spannung und zum Liefern eines auf der bereitgestellten Spannung basierenden Stroms, eine Energiespeichereinheit, die ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen, einen elektrischen Verbraucher, der eine veränderliche Stromanforderung hat und ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen, und ein Steuersystem zum Einstellen der bereitgestellten Spannung auf der Basis einer der Energiespeichereinheit zugeordneten Temperatur und des bereitgestellten Stroms.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Energieversorgungssysteme für Kraftfahrzeuge.
Bei einigen Fahrzeugen, z. B. bei alternativ angetriebenen Fahrzeugen, kann ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) in einem Innenraum des Fahrzeugs untergebracht sein. Eine derartige Unterbringung kann die Länge eines Kabels, das den Gleichspannungswandler mit einer Batterie verbindet, vergrößern. Diese zusätzliche Länge kann den elektrischen Widerstand des Kabels vergrößern und den über die Länge des Kabels auftretenden Spannungsabfall erhöhen. Hieraus ergibt sich, dass die Batterie und sämtliche elektrischen Verbraucher möglicherweise mit einer Spannung arbeiten, die niedriger als in dem Fall ist, dass die Batterie in der Nähe des Gleichspannungswandlers untergebracht ist.
Ausführungsformen der Erfindung können die Form eines Energieversorgungssystems für ein Kraftfahrzeug haben. Das Energieversorgungssystem umfasst eine Stromquelle zum Bereitstellen einer Spannung und zum Liefern eines auf der bereitgestellten Spannung basierenden Stroms, eine Energiespeichereinheit, die ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen, und einen elektrischen Verbraucher, der eine veränderliche Stromanforderung hat und ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen. Das Energieversorgungssystem umfasst auch ein Steuersystem zum Einstellen der bereitgestellten Spannung auf der Basis einer der Batterie zugeordneten Temperatur und des bereitgestellten Stroms.
Ausführungsformen der Erfindung können die Form eines Energieversorgungssystems für ein alternativ angetriebenes Kraftfahrzeug haben. Das Energieversorgungssystem umfasst einen Energiewandler mit einer Ausgangsspannung, der ausgebildet ist, einen auf der Ausgangsspannung basierenden Strom bereitzustellen, eine Batterie, die ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen, und einen elektrischen Verbraucher, der eine veränderliche Stromanforderung hat und ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen. Das Energieversorgungssystem umfasst auch ein oder mehrere Steuerelemente zum Einstellen der Ausgangsspannung auf der Basis einer der Batterie zugeordneten Temperatur und des bereitgestellten Stroms.
Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden eine Spannungskompensation zum Regeln einer Ausgangsspannung einer Stromquelle. Da die Länge eines Batteriekabels für eine bestimmte Fahrzeugkonfiguration feststeht, kann der Widerstand des Kabels beispielsweise mit der Stromquelle abgeglichen werden. Zusätzlich kann der Ausgangsstrom der Stromquelle hierdurch überwacht oder abgeleitet werden. Diese Parameter können verwendet werden, um die Ausgangsspannung zu regeln. Die Stromquelle an sich kann eine Ausgangsleistung haben, die im Zusammenhang mit dem Batteriekabel stehende Verluste berücksichtigt. Durch eine derartige Ausgangsleistung kann beispielsweise ein ordnungsgemäßes Laden der Batterie gewährleistet werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Energieversorgungssystems für ein Kraftfahrzeug.
2 eine schematische Ansicht eines anderen beispielhaften Energieversorgungssystems für ein Kraftfahrzeug.
3 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Steuerungselektronik für ein Kraftfahrzeug-Energieversorgungssystem.
4 eine schematische Ansicht einer anderen beispielhaften Steuerungselektronik für ein Kraftfahrzeug-Energieversorgungssystem.
5 eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Steuerungselektronik für ein Kraftfahrzeug-Energieversorgungssystem.
6 eine beispielhafte grafische Darstellung der Ladespannung relativ zu der Batterietemperatur.
7 ein Ablaufdiagramm einer Steuerungsstrategie zum Einstellen einer Ausgangsspannung einer Stromquelle.
Die 1 ist eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems 10 für ein Fahrzeug 12. Die dicken Linien zwischen den Elementen deuten den Energiestrom, z. B. den elektrischen Strom, an. Die dünnen Linien zwischen den Elementen deuten den Informationsfluss, z. B. eine Kommunikation, an. Eine Hochspannungsbatterie 14 führt einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 16, beispielsweise einem bidirektionalen Tief-Hochsetzsteller, Strom mit hoher Spannung zu. Der Gleichspannungswandler 16 wandelt diese hohe Spannung in eine niedrige Spannung um. Hieraus ergibt sich, dass der Gleichspannungswandler 16 eine Spannung, beispielsweise V_o, ausgibt.
Ein Abzweigkasten 18, beispielsweise ein elektrischer Verteiler, verteilt den benötigten Strom, beispielsweise I_o, um eine Niederspannungsbatterie 20, ein Klimaanlagensystem 22, ein Audiosystem 24, ein Beleuchtungssystem 26 und andere elektrische Verbraucher 28 zu versorgen. Dieser Strom kann sich im Lauf der Zeit ändern, wenn die Insassen des Fahrzeugs 12 wahlweise elektrische Verbraucher 22, 24, 26, 28 betätigen und die Niederspannungsbatterie 20 kann wahlweise geladen werden. Der Abzweigkasten 18 zieht den benötigten Strom, beispielsweise I_o, aus dem Gleichspannungswandler 16 auf der Basis von V_o.
Bei der Ausführungsform der 1 verbindet ein Elektrokabel, das einen Widerstand R_cable aufweist, den Gleichspannungswandler 16 und den Abzweigkasten 18 elektrisch miteinander. Wenn der Strom durch dieses Kabel fließt, fällt die Spannung aufgrund von Verlusten, beispielsweise V_loss = I_o × R_cable. Die sich an dem Abzweigkasten 18 ergebende Spannung, beispielsweise V_avail, ist die Spannung, die zur Verfügung steht, um beispielsweise die Niederspannungsbatterie 20 zu laden.
Ein Temperatursensor 30 erfasst eine Temperatur, beispielsweise T_batt, in der Nähe der Niederspannungsbatterie 20, z. B. eine Temperatur unter der Haube, eine Batterietemperatur usw. Ein Antriebsstrangsteuermodul 32 liest T_batt und bestimmt auf der Basis von T_batt eine Ladespannung, beispielsweise V_charge, für die Niederspannungsbatterie 20. Das Antriebsstrangmodul 20 übermittelt, beispielsweise durch Senden, V_charge an den Gleichspannungswandler 16. Wie nachstehend erläutert werden wird, setzt der Gleichspannungswandler 16 V_o auf der Basis von V_charge und I_o fest.
Die 2 ist eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems 110 für ein Fahrzeug 112. Sich bei der Bezeichnung durch einen Faktor 100 unterscheidende Elemente haben ähnliche, jedoch nicht notwendigerweise gleiche Beschreibungen. Ein Motor 134 liefert einem Wechselstromerzeuger 136 mechanische Energie. Der Wechselstromerzeuger 136 wandelt diese mechanische Energie in elektrische Energie um. Hieraus ergibt sich, dass der Wechselstromerzeuger 136 eine Spannung, beispielsweise V_o, ausgibt.
Ein Abzweigkasten 118 verteilt den benötigten Strom, beispielsweise I, an elektrische Verbraucher 128. Dieser Strom kann sich im Lauf der Zeit verändern, wenn Insassen des Fahrzeugs 112 wahlweise elektrische Verbraucher 128 betätigen. Der Abzweigkasten 118 zieht den erforderlichen Strom, beispielsweise I, aus dem Wechselstromerzeuger 136.
Bei der Ausführungsform der 2 verbindet ein Elektrokabel, das einen Widerstand R_cable aufweist, den Wechselstromerzeuger 136 und die Niederspannungsbatterie 120 elektrisch miteinander. Wenn der Strom, beispielsweise I_o, durch dieses Kabel fließt, fällt die Spannung aufgrund von Verlusten, beispielsweise V_loss = I_o × R_cable. Die sich an der Niederspannungsbatte rie 120 ergebende Spannung, beispielsweise V_avail, ist die Spannung, die zur Verfügung steht, um beispielsweise die Niederspannungsbatterie 120 zu laden.
Steuerungselemente 138, beispielsweise Mikroprozessoren, lesen die Temperatur, beispielsweise T_batt, aus dem Temperatursensor 130 aus und übermitteln sie, beispielsweise als Antwort auf Anfragen zur Informationsübersendung, an den Wechselstromerzeuger 136. Der Wechselstromerzeuger 136 liest den Strom, beispielsweise I_o, aus einem Stromsensor 140, beispielsweise einem Hall-Sensor, einem Shunt usw. Wie nachstehend erläutert werden wird, setzt der Wechselstromerzeuger 136 die Spannung V_o auf der Basis von T_batt und I_o fest.
Die 3 ist eine schematische Ansicht einer Steuerungselektronik 42. Im Steuerungsblock 44 wird Eingangsenergie P_in, beispielsweise Strom von der Hochspannungsbatterie 14 (1), durch V_o geteilt, woraus sich I_o ergibt. Im Steuerungsblock 46 wird I_o mit R_cable multipliziert, woraus sich V_loss ergibt. Bei 48 werden V_loss und V_charge addiert, woraus sich V_o ergibt. Bei der Ausführungsform der 3 ist die Steuerungselektronik 42 mit einem Gleichspannungswandler 16 (1) ausgestattet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Steuerungselektronik 42 mit einem oder mehreren Steuerungselementen ausgestattet sein, die gemeinsam konfiguriert werden, um die hier erläuterten Strategien durchzuführen. Einige oder alle Steuerungselemente können beispielsweise in andere Komponenten integriert sein, wie beispielsweise den Gleichspannungswandler 16.
Die 4 ist eine schematische Ansicht einer Steuerungselektronik 142. Im Steuerungsblock 146 wird I_o mit R_cable multipliziert, woraus sich V_loss ergibt. Bei 148 werden V_loss und V_charge addiert, woraus sich V_o ergibt. Bei der Ausführungsform der 4 ist die Steuerungselektronik 142 der 4 mit einem Wechselstromerzeuger 136 (2) ausgestattet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Steuerungselektronik 142 mit einem oder mehreren Steuerungselementen ausgestattet sein, die gemeinsam konfiguriert werden, um die hier erläuterten Strategien durchzuführen. Einige oder alle Steuerungselemente können beispielsweise in andere Komponenten integriert sein, wie beispielsweise den Wechselstromerzeuger 136, das Steuerungselement 138 usw.
Die 5 ist eine schematische Ansicht einer Steuerungselektronik 242. Im Steuerungsblock 244 wird Eingangsenergie P_in durch V_o geteilt, woraus sich I_o ergibt. Im Steuerungsblock 246 wird I_o mit R_cable multipliziert, woraus sich V_loss ergibt. Im Steuerungsblock 250 wird in einer Referenztabelle nachgeschlagen, um V_charge auf der Basis von T_batt zu ermitteln. Bei 248 werden V_loss und V_charge addiert, woraus sich V_o ergibt. Wie oben erläutert wurde, kann die Steuerungselektronik 242 mit einem oder mehreren Steuerungselementen ausgestattet sein, die gemeinsam konfiguriert werden, um die hier erläuterten Strategien durchzuführen. Beispielsweise kann der Steuerungsblock 250 mit einem Antriebsstrangsteuermodul 32 (1), einem Gleichspannungswandler 16 (1) oder einem Steuerungselement 138 (2) ausgestattet sein.
Die 6 ist eine beispielhafte grafische Darstellung der Ladespannung relativ zu der Batterietemperatur. Bei niedrigen Batterietemperaturen, beispielsweise bei Temperaturen unter –1°C (30°F), kann eine höhere Ladespannung, beispielsweise 16 Volt, verwendet werden, um die Niederspannungsbatterie 20 (1) zu laden. Wenn sich die Batterietemperaturen erhöhen, kann eine niedrigere Ladespannung, beispielsweise 15 Volt, verwendet werden usw. Ladespannungen, die für eine gegebene Batterietemperatur zu hoch oder zu niedrig sind, können negative Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Batterie haben. Die grafische Darstellung der 6 kann beispielsweise als die in Steuerungsblock 250 (5) verwendete Referenztabelle eingesetzt werden.
Die 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Steuerungsstrategie zum Einstellen einer Ausgangsspannung einer Stromquelle. Bei 52 wird eine Batterietemperatur bestimmt. Bei 54 wird eine Ladespannung bestimmt. Bei 56 wird ein Ausgangsstrom bestimmt. Bei 58 wird eine Offsetspannung bestimmt. Bei 60 werden die Ladespannung und die Offsetspannung addiert. Bei 62 wird die Ausgangsspannung als gleich der Summe von Ladespannung und Offsetspannung festgesetzt.
Obwohl einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben sollen. Der in der Beschreibung verwendete Wortlaut stellt daher erläuternde Begriffe und keine Einschränkung dar und es ist selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Energieversorgungssystem für Kraftfahrzeuge, umfassend: eine Stromquelle zum Bereitstellen einer Spannung und zum Liefern eines auf der bereitgestellten Spannung basierenden Stroms, eine Energiespeichereinheit, die ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen, einen elektrischen Verbraucher, der eine veränderliche Stromanforderung hat und ausgebildet ist, mindestens einen Teil des bereitgestellten Stroms aufzunehmen, und ein Steuersystem zum Einstellen der bereitgestellten Spannung auf der Basis einer der Energiespeichereinheit zugeordneten Temperatur und des bereitgestellten Stroms.
System nach Patentanspruch 1, das weiter einen Temperatursensor zum Erfassen der der Energiespeichereinheit zugeordneten Temperatur umfasst.
System nach Patentanspruch 1, das weiter einen Sensor zum Erfassen eines Parameters, der den bereitgestellten Strom anzeigt, umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit eine Batterie umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle einen Energiewandler umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle einen Wechselstromerzeuger umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher wenigstens eine Klimaanlage oder ein Beleuchtungssystem oder ein Audiosystem umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem mindestens ein Steuermodul umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuermodul ein Antriebsstrangsteuermodul umfasst.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuermodul in die Stromquelle integriert ist.