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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Steuern einer Energieversorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, und
insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer
Energieversorgung eines Bordnetzes mit einem Doppelschicht-Kondensator.
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Stand der Technik
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Moderne
Fahrzeuge werden auf Grund der Problematik des CO2-Ausstoßes im Leerlauf
zunehmend mit einer Start-Stopp-Funktion
ausgestattet. Bei der Start-Stopp-Funktion wird der Motor z. B. beim
Anhalten des Fahrzeuges an einer Ampel ausgeschaltet, um Kraftstoff
zu sparen und im die CO2-Emission zu reduzieren. Zum Weiterfahren
wird der Motor über
den Starter wieder gestartet. Da der Starter zum Loßreisen
des Motors bis zu 800 A Strom zieht, fällt am Innenwiderstand der
Fahrzeugbatterie eine Spannung von bis zu 6 V ab. Die Verfügbare Klemmspannung
im Bordnetz fällt
also kurzzeitig auf 12 V – 6
V = 6 V ab.
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Neben
den Spannungseinbrüchen
auf Grund des Startens des Motors ergibt sich ein weiteres Problem
aus der Verwendung von Impulslasten im Bordnetz des Fahrzeuges,
wie zum Beispiel einer elektrisch unterstützten Lenkung (EPS) oder einer
elektrisch unterstützten
Bremse, die zu starken Spannungsfluktuationen (5)
im Bordnetz des Fahrzeuges führen
können.
Diese Fluktuationen sind bezüglich
ihres zeitlichen Auftretens bzw. bezüglich ihrer Stärke nicht
vorhersagbar. Die Relevanz dieser Spannungseinbrüche erhöht sich insbesondere bei einer
Batterielage hinten und Impulslasten, wie z. B. EPS, vorn im Fahrzeug.
Auf Grund der langen Versorgungsleitung von hinten nach vorn fällt über diese eine
Spannung ab. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, zusätzlich zu
einer Batterie (erster Energiespeicher), vorn im Fahrzeug einen
zweiten Energiespeicher, wie zum Beispiel einen Doppelschicht-Kondensator
(SuperCap) für
die Versorgung der Impulslasten vorzusehen.
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Herkömmlich hat
der zweite Energiespeicher, z. B. der SuperCap, die Funktion des
Startens aus dem zweiten Energiespeicher. Zur Unterstützung des
Bordnetzes hingegen gibt es Ansätze,
einen SuperCap vorzuladen und dann parallel zur Batterie auf das
Bordnetz zu schalten. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin,
dass der SuperCap dem Spannungshub durch den Generator folgen muss.
Der Generator hebt die Bordnetzspannung auf eine Spannung von größer als
14 V an, damit die Batterie eine Ladeakzeptanz aufweist. Da die
Zellenspannung von SuperCap und Batterie unterschiedlich sind, kommt es
zu hohen Ausgleichsströmen
zwischen SuperCap und Batterie. Des Weiteren wird der SuperCap,
bestehend aus mindestens einer SuperCap-Zelle, Spannungen bis zu
16 V ausgesetzt, was sich sehr negativ auf die Lebensdauer auswirken
kann. Die Lebensdauer ist der kritische Auslegungsparameter für SuperCaps.
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Des
Weiteren wurden Bordnetze vorgeschlagen, die zwei Energiespeicher
in voneinander getrennten Bereichen aufweisen. Beispielsweise dient dabei
ein erster Energiespeicher zur Versorgung eines ersten Bereichs,
der einen Starter, Generator und andere Verbraucher umfasst, und
ein zweiter Energiespeicher zur Versorgung eines zweiten Bereichs mit
weiteren Verbrauchern. Um die Verbraucher im zweiten Bereich zu
stabilisieren, d. h. diese von Spannungsschwankungen beispielsweise
aufgrund eines Startens des Starters abzukoppeln, kann eine Diode
vorgesehen werden, die keinen Strom aus dem zweiten Bereich in den
erste Bereich lässt,
jedoch ermöglicht,
dass der zweite Energiespeicher durch den Generator aufgeladen werden
kann.
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Der
erste Bereich wird dabei jedoch nicht stabilisiert, so dass nur
eine teilweise Stabilisierung des Bordnetzes erfolgt. Ferner werden
beide Energiespeicher durch die gleiche Spannung des Generators
aufgeladen und werden den gleichen Spannungsschwankungen ausgesetzt,
wodurch sich die Lebensdauer eines als zweiten Energiespeicher eingesetzten
SuperCaps reduzieren kann. Ferner wird, wenn ein SuperCap direkt
parallel zu einem Generator geschaltet ist, der SuperCap mit einem
Gleichrichtungs-Ripple beaufschlagt, was zu einer starken Verkürzung der
SuperCap-Lebensdauer führen
kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein
Verfahren bereitzustellen, die eine Energieversorgung derart steuern,
dass eine Stabilisierung des Bordnetzes erreicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung
eines Bordnetzes mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren
zum Steuern einer Energieversorgung eines Bordnetzes mit den Merkmalen
des Anspruchs 15, sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs
14 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung
eines Bordnetzes eines Fahrzeuges, an das Verbraucher anschließbar sind,
einen ersten Energiespeicher, zum Beispiel einen Doppelschicht-Kondensator
oder eine Batterie, zum Bereitstellen von elektrischer Energie an
einen Starter; einen Generator zum Erzeugen einer Generatorspannung;
und ein erstes steuerbares Schaltelement, das zwischen dem ersten
Energiespeicher und dem Generator vorgesehen ist, und das derart
ausgebildet ist, dass es im Betrieb des Fahrzeuges einen Stromfluss
nur in eine Richtung von dem ersten Energiespeicher zu dem Generator
zulässt.
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Diese
Vorrichtung bietet den Vorteil, dass der erste Energiespeicher sowohl
zur Energieversorgung eines Starters in einem ersten Bereich des
Bordnetzes, getrennt durch das steuerbare Schaltelement von einem
zweiten Bereich, als auch zur Unterstützung von Verbrauchern in dem
zweiten Bereich des Bordnetzes dienen kann, so dass das gesamte
Bordnetz stabilisiert werden kann.
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Das
erste steuerbare Schaltelement ist dabei bevorzugt ein Halbleiterschalter,
vorzugsweise ein Leistungshalbleiter.
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Gemäß einem
vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung zum Steuern einer
Energieversorgung ferner eine Steuereinrichtung zum Steuern des ersten
steuerbaren Schaltelements in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall über dem
ersten steuerbaren Schaltelement. Dadurch kann je nach Spannung,
d. h. Energiezustand, das steuerbare Schaltelement die Richtung
des Stromflusses durch das Schaltelement für die beiden Bereiche gesteuert
werden.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung zum Steuern
einer Energieversorgung ferner eine Schalteinheit, die zwischen dem
ersten Energiespeicher und dem ersten steuerbaren Schaltelement
vorgesehen ist. Somit kann ein Stromfluss aus bzw. in den ersten
Energiespeicher unterbrochen werden.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Schalteinheit der Vorrichtung
ferner ein zweites und ein drittes steuerbares Schaltelement, die
in Reihe geschaltet sind, wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet
ist, das zweite und dritte steuerbare Schaltelement zu steuern.
Somit kann die Vorrichtung flexible verschiedene Energieversorgungszustände annehmen,
indem die drei Schaltelemente entsprechend geschaltet werden.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Beispiel ist die Schalteinheit derart steuerbar,
dass die Schalteinheit im Betrieb oder bei einem Warmstart des Fahrzeuges
einen Stromfluss von dem ersten Energiespeicher in Richtung zu dem
ersten steuerbaren Schaltelement ermöglicht, und dass die Schalteinheit bei
einem Kaltstart des Fahrzeuges einen Stromfluss von dem ersten Energiespeicher
zu dem Starter trennt. Somit kann die Vorrichtung je nach Bedarf
der einzelnen Elemente im Bordnetz verschiedene Energieversorgungszustände annehmen,
beispielsweise eine Energieversorgung für einen Kaltstart, Warmstart
oder einen Betrieb.
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Gemäß einem
vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung zum Steuern einer
Energieversorgung ferner eine Ladeschaltung, angeordnet zwischen
erstem Energiespeicher und Generator zum Aufladen des ersten Energiespeichers
abhängig
von der Spannung des ersten Energiespeichers. Dadurch kann das Aufladen
eines ersten Energiespeichers und die entsprechende Ladespannung
gesteuert werden. Beispielsweise kann bei einem Doppelschicht-Kondensator als ersten
Energiespeicher eine Zellenspannung begrenzt werden, beispielsweise
bei sechs Zellen in Reihe auf 2 V und eine Ripple-Belastung und
Ausgleichströme
können
vermieden werden, so dass die Lebensdauer des Doppelschicht-Kondensators oder
einer Batterie verlängert wird.
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Gemäß einem
vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung ferner einen zweiten
Energiespeicher, zum Beispiel eine Batterie, zum Bereitstellen von
elektrischer Energie an die Verbraucher, der derart angeordnet ist,
dass das erste steuerbare Schaltelement zwischen einerseits dem
ersten Energiespeicher und anderseits dem Generator und dem zweiten
Energiespeicher angeordnet ist. Durch generatorseitiges Anschließen eines
zweiten Energiespeichers können
beide durch das erste steuerbare Schaltelement getrennte Bereiche
im Bordnetz auch versorgt werden, wenn der Generator nicht in Betrieb ist.
Ferner kann bei Verwendung eines Doppelschicht-Kondensators als erster Energiespeicher eine
Batterie als zweiter Energiespeicher für einen Kaltstart des Starters
verwendet werden nach entsprechender Steuerung des ersten steuerbaren Schaltelements.
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Gemäß einem
vorteilhaften Beispiel ist die Ladeschaltung im Betrieb des Fahrzeugs
derart ausgebildet, dass der erste Energiespeicher auf eine Spannung
aufgeladen wird, die gleich oder größer als die Spannung des zweiten
Energiespeichers ist und kleiner ist als die Spannung des Generators.
Indem der erste Energiespeicher derart ausgelegt ist, dass er auf
eine Spannung kleiner als die Generatorspannung und größer als
die des zweiten Energiespeichers aufgeladen wird, wird das Fließen eines
Ausgleichstroms bei kleinen Spannungsschwankungen im zweiten Bereich
vermieden und Strom kann nur in den zweiten Bereich fließen, wenn
die Spannung des ersten Energiespeichers höher ist als die des Bordnetzes
im zweiten Bereich, d. h. zum Beispiel wenn der Generator eine hohe
kurzzeitige Impulslast nicht ausregeln kann.
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Gemäß einem
vorteilhaften Beispiel ist der erste Energiespeicher ausgebildet,
elektrische Energie an den Starter für einen Warmstart zu liefern und/oder
zum Dämpfen
von Spannungsfluktuationen durch die Verbraucher. Somit kann der
erste Energiespeicher flexibel je nach Bedarf im Bordnetz Energie bereitstellen
und dadurch kann die gesamte Anordnung stabilisiert werden.
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Gemäß einem
vorteilhaften Beispiel ist das erste steuerbare Schaltelement derart
ausgebildet ist, dass der zweite Energiespeicher bei einem Kaltstart
elektrische Energie für
den Starter bereitstellt. Somit kann bei einem Kaltstart das erste
steuerbare Schaltelement derart geschalten werden, dass Strom von
dem zweiten Energiespeicher in den zweiten Bereich an den Starter
im ersten Bereich fließt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst ein Fahrzeug, insbesondere ein Automobil, die oben beschriebene Vorrichtung
zum Steuern einer Energieversorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeuges.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Energieversorgung
eines Fahrzeugbordnetzes, an das Verbraucher anschließbar sind,
und das zwischen einem ersten Bereich mit einem ersten Energiespeicher
und einem zweiten Bereich mit einem Generator ein steuerbares Schaltelement
aufweist, die Schritte: Steuern des ersten steuerbaren Schaltelements,
so dass im Betrieb des Fahrzeuges ein Stromfluss nur in eine Richtung
von dem ersten Energiespeicher zu dem zweiten Bereich zugelassen wird;
Bereitstellen von elektrischer Energie von dem ersten Energiespeicher
an Verbraucher in dem zweiten Bereich im Betrieb des Fahrzeuges;
und Bereitstellen von elektrischer Energie von dem ersten Energiespeicher
an einen Starter in dem ersten Bereich bei einem Warmstart des Fahrzeuges.
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Daher
kann der erste Energiespeicher sowohl zur Energieversorgung eines
Starters in einem ersten Bereich des Bordnetzes als auch zur Unterstützung von
Verbrauchern in einem zweiten Bereich des Bordnetzes dienen, so
dass das gesamte Bordnetz stabilisiert werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der detaillierten
Beschreibung der Ausführungsformen
und in den Ansprüchen
offenbart.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlich anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung eines Bordnetzes eines
Fahrzeug gemäß einer
Ausführungsform
zeigt;
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2 ein
Flussdiagramm zeigt, das die Schritte eines Verfahrens zum Steuern
einer Energieversorgung eines Fahrzeugbordnetzes gemäß einer
weiteren Ausführungsform
zeigt;
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3 schematisch
eine Steuereinrichtung zum Steuern eines steuerbaren Schaltelements zeigt;
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4 einzelne
Elemente einer Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung eines
Bordnetzes eines Fahrzeug gemäß einer
weiteren Ausführungsform
zeigt;
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5 schematisch
eine Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung zeigt, wobei
Spannungen, die an den einzelnen Elementen abfallen gekennzeichnet
sind; und
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6 schematisch
einen zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung eines Fahrzeug zeigt.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei sind
in den verschiedenen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Elemente jeweils
mit den gleichen oder ähnlichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, die im Folgenden detailliert beschrieben werden,
werden ausführlich
mit Bezug auf eine Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung
eines Bordnetzes eines Fahrzeuges beschrieben. Jedoch wird vermerkt,
dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht
als die Erfindung einschränkend
angesehen werden sollte.
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung 100 zum Steuern einer Energieversorgung
eines Bordnetzes eines Fahrzeuges. Die Vorrichtung umfasst einen
ersten Energiespeicher 110 zum Bereitstellen von elektrischer
Energie an einen Starter 120, sowie einen Generator 130 zum
Erzeugen einer Generatorspannung UG und ein erstes steuerbares Schaltelement 140.
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In 1 ist
zwischen dem ersten Energiespeicher 110 und dem Generator 130 das
erste steuerbare Schaltelement 140 angeordnet, das derart ausgebildet
ist, dass es im Betrieb des Fahrzeuges, d. h. wenn der Generator 130 läuft, einen
Stromfluss nur in eine Richtung von dem ersten Energiespeicher 110 zu
dem Generator 130 zulässt.
Mit anderen Worten wird im Betrieb des Fahrzeuges der Stromfluss auf
eine Richtung von dem ersten Energiespeicher 110 zu dem
Generator 130 begrenzt, so dass ein vom Generator 130 erzeugter
Strom nicht durch das steuerbare Schaltelement 140 fließen kann.
Natürlich lässt sich
eine vollständige
hundertprozentige Begrenzung in der Praxis, vor allem bei Verwendung von
auf Dioden-basierten Bauteilen, nur schwer realisieren.
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Der
erste elektrische Energiespeicher 110 in 1 ist
beispielsweise eine Batterie, die eine Spannung UE1 bereitstellt.
In einer anderen Ausführungsform
kann anstelle einer Batterie auch ein Doppelschicht-Kondensator
bzw. Superkondensator (SuperCap) als erster Energiespeicher 110 verwendet
werden. In einer weiteren Ausführungsform
kann als erster Energiespeicher 110 auch ein SuperCap bestehend
aus mehreren Zellen in Reihe verwendet werden.
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SuperCaps
bzw. Doppelschicht-Kondensatoren sind Energiespeicher mit einer
hoher elektrischen Speicherdichte und Kapazitätswerten von einigen Farad
bis hin zu mehreren tausend Farad. Doppelschicht-Kondensatoren können Energie
in kürzester
Zeit speichern und auch wieder in kürzester Zeit abgeben und können somit
schnell auf Spannungsschwankungen im Bordnetz reagieren, z. B. bei
starkem Spannungsabfall aufgrund eines Zuschaltens einer Impulslast,
und das Bordnetz mit elektrischer Energie versorgen.
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Da
sich der ersten Energiespeicher, z. B. der Doppelschicht-Kondensator, von
selbst entladen kann, wenn die Spannung am Generator UG unter die über dem
ersten Energiespeicher aufgebaute Spannung UE1 abgefallen ist, wird
kein externes Steuersignal (Trigger) benötigt. Des Weiteren kann ein
Doppelschicht-Kondensator so konzipiert werden, dass bei voller
Ladung des Doppelschicht-Kondensators die aufgebaute Spannung UE1
in etwa der Betriebsspannung des Bordnetzes entspricht. In Ruhe-
oder Normalbetriebsphasen, in denen die Stromversorgung des Bordnetzes
von dem Generator 130 oder einem zweiten Energiespeicher übernommen wird
und keine Unterstützung
von Verbrauchern durch den Doppelschichtkondensator erfolgt, kann der
Doppelschicht-Kondensator über die
Ladeschaltung geladen werden.
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Somit
kann der erste Energiespeicher 110 elektrische Energie
an den Starter für
einen Warmstart liefern und/oder Spannungsfluktuationen durch die
Verbraucher im zweiten Bereich dämpfen.
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Der
Starter 120 bzw. Anlasser, der in 1 mit dem
ersten Energiespeicher 110 im ersten Bereich verbunden
ist, initiiert Rotationsbewegungen des Motors bzw. Verbrennungsmotors
des Fahrzeuges, bevor sich dieser selber antreiben kann. Der Starter
ist beispielsweise ein elektrischer Motor.
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Der
Generator 130 in 1 wandelt
mittels magnetischer Induktion die Bewegungsenergie des Fahrzeuges
im Betrieb in elektrische Energie um. Der Generator 130 ist
beispielsweise eine Lichtmaschine, die die Verbraucher im Bordnetz
mit elektrischer Energie versorgt und den ersten Energiespeicher 110 und
gegebenenfalls weitere Energiespeicher, z. B. einen zweiten Energiespeicher,
der als Fahrzeugbatterie ausgebildet ist, auflädt.
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Das
steuerbare Schaltelement 140 kann beispielsweise als aktive
Diode ausgelegt werden. Das steuerbare Schaltelement 140 besitzt
mehrer Schaltzustände.
In einem ersten Schaltzustand arbeitet es im Wesentlichen wie eine
Diode (Diodenfunktion), d. h. eine Durchlassrichtung wird vorgegeben,
in der das Schaltelement Strom durchlässt und in der anderen Richtung
wirkt es wie ein Isolator. In diesem Schaltzustand kann das Schaltelement
als geöffnet bezeichnet
werden. In einem zweiten Schaltzustand kann das Schaltelement 140 derart
geschaltet werden, dass es sich wie ein Leiter verhält, d. h.
Strom kann je nach den anliegenden Potentialen fließen in beide
Richtungen. In diesem Schaltzustand kann das Schaltelement als geschlossen
bezeichnet werden.
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Gemäß 1 kann
durch das steuerbare Schaltelement 140 in der Vorrichtung 100 ein
erster und ein zweiter Bereich der Vorrichtung unterschieden werden,
wobei der erste Bereich den ersten Energiespeicher 110 aufweist
und der zweite Bereich den Generator 130 aufweist. Insbesondere
können an
der Vorrichtung 100 Verbraucher des Bordnetzes, zusätzlich zu
dem Starter 120 im ersten Bereich, in dem zweiten Bereich
der Vorrichtung 100 angeordnet werden.
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Verbraucher
im Bordnetz des Fahrzeuges sind beispielsweise Steuergeräte wie eine
elektrisch unterstützte
Lenkung (EPS) oder -Bremse, Sensoren, Anzeigenelemente, z. B. Warn-
und Kontrollleuchten, Displays, Aktoren, Elektromotoren, Leuchten
und Beleuchtungssysteme.
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Neben
dem Betrieb des Fahrzeuges kann weiterhin zwischen den Zuständen Kaltstart
des Motors und Warmstart des Motors unterschieden werden. Beim Kaltstart
des Motors ist das Fahrzeug über einen
längeren
Zeitraum nicht benutzt, so dass beispielsweise der erste Energiespeicher 110 entladen sein
kann. Andererseits erfolgt ein Warmstart des Motors nach einem Anhalten
nach einem vorherigen Betrieb des Fahrzeuges und Ausschalten des
Motors, zum Beispiel bei einer Start-Stopp Funktion an einer Ampel,
einem Bahnübergang
oder an einer Kreuzung oder bei ähnlichen
kurzzeitigen Unterbrechungen des Fahrbetriebes. Der Warmstart des
Motors kann aus dem ersten Energiespeicher 110 erfolgen,
da dieser nach dem vorherigen Betrieb des Fahrzeuges aufgeladen
ist.
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Wie
aus 1 gesehen werden kann, kann der erste Energiespeicher 110 nicht
nur den ersten Bereich mit elektrischer Energie versorgen sondern auch
den zweiten Bereich, so dass das gesamte Bordnetz, d. h. beide Bereiche,
stabilisiert werden können.
Des Weiteren ermöglicht
das steuerbare Schaltelement 140, dass der erste Energiespeicher nicht
direkt von dem Generator aufgeladen wird und der Starter entkoppelt
ist, so dass er bei einem Warmstart nur von dem ersten Energiespeicher
versorgt wird.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm mit den Schritten eines Verfahrens zum Steuern
der Energieversorgung eines Fahrzeugbordnetzes gemäß einer weiteren
Ausführungsform.
Dabei wird das erste steuerbare Schaltelement 140 im Betrieb
des Fahrzeuges in Schritt S210 so gesteuert, dass ein Stromfluss
nur in eine Richtung von dem ersten Energiespeicher zu dem zweiten
Bereich zugelassen wird. Ferner erfolgt in Schritt S220 im Betrieb
des Fahrzeuges ein Bereitstellen von elektrischer Energie von dem
ersten Energiespeicher 110 an Verbraucher in dem zweiten
Bereich. Diese vorteilhafte Steuerung ermöglicht es, dass im Betrieb
des Fahrzeuges das Bordnetz, und insbesondere Verbraucher, die Impulslasten
darstellen, durch den ersten Energiespeicher unterstützt werden.
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Bei
einem Warmstart des Fahrzeuges in Schritt S230 erfolgt entsprechend 1 ein
Bereitstellen von elektrischer Energie von dem ersten Energiespeicher 110 an
den Starter 120 in dem ersten Bereich. Durch diese vorteilhafte
Steuerung der Energieversorgung ist bei einem Warmstart des Fahrzeuges
der erste Bereich der Vorrichtung 100 von dem zweiten Bereich
entkoppelt, so dass sich Spannungseinbrüche auf Grund des Startens
des Motors nicht nachteilig auf Verbraucher im zweiten Bereich des
Bordnetzes auswirken und so der zweite Bereich stabilisiert bleibt.
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Im
Folgenden wird die Steuerung des steuerbaren Schaltelements im Einzelnen
mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 zeigt
schematisch eine Steuereinrichtung 300 zum Steuern des
steuerbaren Schaltelements 340.
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Das
steuerbare Schaltelement 340 entspricht grundlegend dem
steuerbaren Schaltelement 140 der 1 und kann
beispielsweise als aktive Diode ausgebildet werden. Das steuerbare
Schaltelement 340 besitzt, wie in 1 erklärt, mehrer
Schaltzustände.
In dem ersten Schaltzustand arbeitet es im Wesentlichen wie eine
Diode, d. h. eine Durchlassrichtung wird vorgegeben, in der das
Schaltelement Strom durchlässt
und in der anderen Richtung wirkt es wie ein Isolator. In dem zweiten
Schaltzustand kann das Schaltelement 340 derart geschaltet
werden, dass es sich wie ein Leiter verhält.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem steuerbaren Schaltelement um einen Feldeffekt-Transistor,
insbesondere ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor
(MOSFET), zum Beispiel ein Leistungs-MOSFET. Da sich Feldeffekt-Transistoren
mit geringen Gate-Spannungen und minimaler Zeitverzögerung schalten
lassen, kann somit schnell auf Änderungen
des Stromflusses über
das steuerbare Schaltelement 340 oder starken Spannungsfluktuationen
im Bordnetz reagiert werden.
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Beispielsweise
kann ein Feldeffekt-Transistor oder parallel geschaltete Feldeffekt-Transistoren so
angeordnet werden, dass die Durchlassrichtung seiner intrinsischen
Diode oder Dioden der Richtung von dem ersten Energiespeicher 110 zu
dem Generator 130 in 1 entspricht.
Somit ist sichergestellt, dass, wenn der Transistor gesperrt bzw.
geöffnet
ist, kein Stromfluss von dem Generator 130 zu dem ersten
Energiespeicher 110 erfolgen kann. Andererseits kann, auch
bei gesperrtem bzw. geöffnetem
Transistor, ein Teil des von dem ersten Energiespeicher 110 zu
dem Bordnetz fließenden
Stroms durch die intrinsischen Dioden der Feldeffekt-Transistoren
fließen.
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Die
Steuerung des ersten steuerbaren Schaltelements 340 in 3 erfolgt
in einem Modus ID (Ideale Diode) beispielsweise so, dass ein Strom von
dem ersten Energiespeicher 110 in Richtung des Bordnetzes
fließen
kann, bei einer Umkehr des Stromflusses vom Bordnetz in Richtung
des ersten Energiespeichers 110 das steuerbare Schaltelement jedoch
sperrt. Im Modus ID verhält
sich die Anordnung demnach wie eine ideale Diode.
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Durch
die Verwendung von Halbleiterschaltern für das steuerbare Schaltelement 340 in 3 wird
eine schnelle Ansprech- bzw. Schaltzeit ermöglicht, die unterhalb der charakteristischen
Zeitskalen der Spannungsfluktuationen des Bordnetzes im Millisekundenbereich
liegen. Die Halbleiterschalter weisen außerdem eine hohe Zyklenfestigkeit
auf.
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Die
Steuerung des ersten steuerbaren Schaltelements 340 in 3 kann
auf Grundlage des Spannungsabfalls, UE1-UG, über dem Leistungs-MOSFET 340 erfolgen.
Ein oder mehrere Komparatoren 370 sind mit einer Steuereinheit 360 verbunden,
die von einem Mikrokontroller 350 gesteuert wird, der mit
der Steuereinheit 360 gekoppelt ist. Diese Elemente können in
der Steuereinrichtung 300, wie in 3 gezeigt,
enthalten sein. Natürlich können die
Funktionen dieser Elemente auch anders verteilt sein, so dass beispielsweise
der Mikrokontroller 350 getrennt bereitgestellt wird, daher
ist er in der Figur gestrichelt dargestellt. Alternativ könnte auch eine
andere Steuerbedingung verwendet werden. Beispielsweise könnte das
steuerbare Schaltelement auf Grundlage des Stromflusses im Bordnetz
gesteuert werden.
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Die
Steuereinheit 360 ist mit dem steuerbaren Schaltelement 340 verbunden
und schaltet beispielsweise mittels Gate-Spannung den Feldeffekt-Transistor.
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Der
Mikrokontroller 350 dient dazu, die an dem Gate des Leistungs-MOSFETS 340 angelegte Spannung
zu steuern, und somit den Leistungs-MOSFET 340 gezielt
zu schalten. Des Weiteren erhält
der Mikrokontroller 350 die Spannung und den zeitlichen
Verlauf der Spannung über
den Leistungs-MOSFET 340.
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In
diesem Beispiel ist das steuerbare Schaltelement 340 in 3 als
aktive Diode ausgeführt. Diese
Schaltung kann die Anforderung der Bordnetzunterstützung bei
Spannungseinbrüchen durch
Impulslast unter 12 V erfüllen,
wie im Folgenden detailliert beschrieben wird.
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4 zeigt
Elemente einer Vorrichtung 400 zum Steuern einer Energieversorgung
eines Bordnetzes eines Fahrzeuges gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Ähnliche
Elemente in den 1 und 3 werden
hier mit ähnlichen
Bezugszeichen versehen und werden nicht wiederholt detailliert erläutert.
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Im
Einzelnen sind in 4 ein Starter 420 und
ein erster Energiespeicher, genauer gesagt ein Doppelschicht-Kondensator 410 mit
mehreren Zellen, gezeigt, die über
eine Schalteinheit T1, T2 verbunden sind, sowie ein erstes steuerbares
Schaltelement 440, ähnlich
zu den steuerbaren Schaltelementen 140 und 340,
eine Steuereinheit 460 und ein Mikrokontroller 450.
Der Mikrokontroller 450 kann die Steuereinheit 460 steuern,
die wiederum das erste steuerbare Schaltelement 440 steuert.
Ferner ist eine Ladeschaltung 455 vorgesehen, die den ersten
Energiespeicher 410 mit einem Generator 430 verbindet und
auch beispielsweise von dem Mikrokontroller 450 gesteuert
wird. Zusätzlich
ist auf der Generatorseite ein zweiter Energiespeicher in Form einer
Batterie 490 vorgesehen sowie Verbraucher 480,
die beispielsweise eine ESP aufweisen.
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In 4 ist
zwischen dem ersten Energiespeicher 410 und dem ersten
steuerbaren Schaltelement 440 die Schalteinheit T1, T2
angeordnet, die aus einem zweiten und dritten steuerbaren Schaltelement
bestehen können.
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Die
Schalteinheit T1, T2, die in 4 zwischen
dem ersten Energiespeicher 410 und dem ersten steuerbaren
Schaltelement 440 vorgesehen ist, kann beispielsweise zwei
gegenseitig in Reihe geschaltete steuerbare Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter
und vorzugsweise Feldeffekt-Transistoren umfassen. Das Zuschalten
bzw. Abschalten des ersten Energiespeichers 410 kann somit
schnell und einfach durch das Schließen bzw. Öffnen der Halbleiterschalter
T1, T2 erfolgen.
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Eine
gegenseitige Serienschaltung der Halbleiterschalter bezeichnet hier
eine Anordnung, bei der die Durchlassrichtung der intrinsischen
Dioden der beiden Halbleiterschalter einander entgegengesetzt sind,
so dass bei geöffneten
Schaltern T1, T2 kein Stromfluss von dem ersten Energiespeicher 410 in
Richtung Generator 430 oder in die entgegengesetzte Richtung
möglich
ist.
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Beispielsweise
können
das zweite und dritte steuerbare Schaltelement T1, T2 durch die
oben beschriebene Steuereinrichtung gesteuert werden oder einfach
direkt von dem Mikrokontroller 450, wie in 4 gezeigt.
Ferner können
natürlich
auch zwei Mikrokontroller bereitgestellt werden, einer zum Steuern
der Schalteinheit T1, T2 und einer zum Steuern des ersten steuerbaren
Schaltelements 440.
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4 zeigt
darüber
hinaus eine Ladeschaltung 455 zum steuerbaren Zuführen eines
Stromes zum ersten Energiespeicher 410. Die Ladeschaltung 455 ist
beispielsweise ein Abwärtswandler
bzw. Tiefsetzsteller, wobei der Betrag der Ausgangsspannung der
Ladeschaltung 455, d. h. der Spannung UE1 zum Aufladen
des ersten Energiespeichers 410, kleiner ist als der Betrag
der Eingangsspannung, d. h. der Spannung UG, die durch den Generator 430 bereitgestellt
wird. Dadurch kann der erste Energiespeicher 410 auf eine
konstante Spannung UE1 aufgeladen werden, die unterhalb des Ladungshubs
UG des Generators 430 liegt.
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Die
Ladeschaltung ist in 4 zwischen dem erstem Energiespeicher 410 und
Generator 430 angeordnet zum Aufladen des ersten Energiespeichers 410 durch
den Generator 430 abhängig
von der Spannung des ersten Energiespeichers 410.
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Die
Ladeschaltung 455 im Beispiel der 4 wird derart
gesteuert, dass der erste Energiespeicher 410 auf eine
definierte Spannung UE1 unterhalb der gemittelten Bordnetzspannung
oder Generatorspannung gehalten und nachgeführt wird. So kann die Spannung
UE1 auf einer Spannung von beispielweise 0,5 V unter der vom Generator
vorgegeben Bordnetzspannung gehalten werden. Ist die Generatorspannung
z. B. UG = 14,3 V und kann der Generator dem Lasttransienten einer
dynamischen Impulslast nicht folgen, d. h. Spannungsspitzen im 100
ms-Bereich nicht ausregeln, so wird die Last über das erste steuerbare Schaltelement 440 von
dem ersten Energiespeicher 410 übernommen und bei 13,8 V gestützt, so
dass beispielsweise ein Flackern oder eine Unterversorgung im zweiten
Bereich vermieden wird. Die Spannung fällt dann nicht auf die Spannung
des zweiten Energiespeichers (z. B. UE2 = 12 V) oder noch tiefer
ab, sondern wird durch den ersten Energiespeicher gestützt, wie
unten mit Bezug auf 6 gezeigt. Größere, wiederkehrende
oder einzelne Spannungseinbrüche
durch geschaltete Impulslasten können
somit im Bordnetz vermieden werden.
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Somit
ist die Ladeschaltung 455 im Betrieb des Fahrzeugs bevorzugt
derart ausgebildet ist, dass der erste Energiespeicher auf eine
Spannung aufgeladen wird, die gleich oder größer als die Spannung des zweiten
Energiespeichers und kleiner als die Spannung des Generators sein
kann.
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4 zeigt
ferner einen zweiten Energiespeicher 490, bei dem es sich
vorzugsweise um eine Fahrzeugbatterie, insbesondere um eine Starterbatterie
handelt, die eine Spannung von beispielsweise 12 V bereitstellt.
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Der
zweiten Energiespeicher 490 stellt Verbrauchern elektrische
Energie bereit und ist derart angeordnet ist, dass das erste steuerbare
Schaltelement 440 zwischen einerseits dem ersten Energiespeicher 410 und
anderseits dem Generator 430 und dem zweiten Energiespeicher 490 angeordnet
ist.
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Da
das erste steuerbare Schaltelement 440 derart ausgebildet
sein kann, dass der zweite Energiespeicher bei einem Kaltstart elektrische
Energie für
den Starter bereitstellen kann (siehe oben zweiter Schaltzustand
des Schaltelements), kann der zweiten Energiespeicher 490 als
Starterbatterie bei einem Kaltstart des Motors dienen und ansonsten
zur kontinuierlichen Unterstützung
der Verbraucher im Bordnetz verwendet werden.
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Im
Folgenden wird näher
auf die Steuerung der drei steuerbaren Schaltelemente 440,
T1 und T2 eingegangen, wobei Spannungsbezeichnungen und Spannungsbeziehungen
verwendet werden, die im Einzelnen in den 5 und 6 erklärt sind.
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Die
Schalteinheit mit den steuerbaren Schaltelementen T1 und T2 ist
derart steuerbar, dass die Schalteinheit im Betrieb oder bei einem
Warmstart des Fahrzeuges einen Stromfluss von dem ersten Energiespeicher 410 in
Richtung zu dem ersten steuerbaren Schaltelement ermöglicht,
und dass die Schalteinheit bei einem Kaltstart des Fahrzeuges einen
Stromfluss von dem ersten Energiespeicher zu dem Starter trennt.
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Beim
Aufladen des ersten Energiespeichers 410 über die
Ladeschaltung 455 sind die steuerbaren Schaltelemente so
geschaltet, dass der Leistungs-MOSFET 440 geöffnet ist
und die Leistungs-MOSFETs T1, T2 geöffnet oder geschlossen sind
und ein Stromfluss über
die Ladeschaltung 455 erfolgt.
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Beispielsweise
ist der Doppelschicht-Kondensator 410 vom Spannungshub
des Generators 430 auf Spannungen größer als 14 V entkoppelt und wird
von der Ladeschaltung 455 auf eine konstante Spannung UE1
geladen, die gleich oder bevorzugt größer ist als die Spannung der
zweiten Energiequelle 490, beispielsweise auf eine Spannung
von 12,5 V.
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Im
Betrieb des Fahrzeuges ist das steuerbare Schaltelement 440 für UG < UE1 in Durchlassrichtung
geschaltet, d. h. der Leistungs-MOSFET 440 ist geöffnet (Diodenfunktion)
und die Leistungs-MOSFETs T1, T2 sind geschlossen (Stromfluss in
beide Richtungen). Somit wird das Bordnetz, z. B. die Verbraucher
inklusive ESP, zusätzlich
aus dem Doppelschicht-Kondensator 410 gestützt. Für UG > UE1 ist das steuerbare
Schaltelement 440 in Sperrrichtung geschaltet.
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Die
obige Vorrichtung führt
zu einer Verbesserung bezüglich
der Lebensdauer des Doppelschicht-Kondensator in Bezug auf die Zellenspannung
(z. B. nur 2 V pro SuperCap-Zelle) und die Beaufschlagung mit Ripple,
da keine Ausgleichströme zwischen
dem Doppelschicht-Kondensator 410 und der Starterbatterie 490 fließen, wenn
sich die Spannung am Doppelschicht-Kondensator UE1 von der Spannung
an dem zweiten Energiespeicher UE2 unterscheidet.
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Die
Steuerung der Energieversorgung des Starters erfolgt in der Vorrichtung 400 der 4 derart,
dass ein Kaltstart des Fahrzeugs aus dem zweiten Energiespeicher
bzw. der Starterbatterie 490 erfolgt, wobei der Leistungs-MOSFET 440 geschlossen
ist und die Leistungs-MOSFETs T1, T2 geöffnet sind.
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Die
Steuerung der Energieversorgung des Starters in der Vorrichtung 400 der 4 erfolgt
für einen
Warmstart im Start-Stopp-Zyklus aus dem ersten Energiespeicher bzw.
SuperCap 410, da dieser während der Fahrt, d. h. bei
laufendem Generator, über
die Ladeschaltung 455 aufgeladen werden kann.
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Für den Warmstart
sind die Leistungs-MOSFETs T1, T2 geschlossen und der Leistungs-MOSFET 440 ist
geöffnet,
d. h. in die Diodenfunktion geschalten. In diesem Steuermodus der
Vorrichtung 400 wird ein möglicher Ausgleichstrom von
dem zweiten Energiespeicher 490 in Richtung des SuperCaps 410 im
Moment des Warmstarts durch die Diodenfunktion unterbunden und die
Verbraucher auf der Generatorseite, d. h. im zweiten Bereich, werden nicht
durch den im Starter benötigten
Startstrom beeinflusst. Die Bordnetzspannung bleibt dann stabilisiert
auf der Spannung UE2 und der Warmstart erfolgt aus dem SuperCap.
Deshalb kann aus dem SuperCap gestartet werden, so dass der Start
bei Start-Stopp-Zyklus vom Bordnetz rückwirkungsfrei entkoppelt ist,
und der zweite Energiespeicher 490 vom Start-Stopp-Zyklus
des Starters entlastet ist.
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Zum
Steuern der Versorgung des Bordnetzes und der Versorgung von hochdynamischen
Impulslasten, z. B. durch die elektrisch unterstützte Lenkung (EPS) oder -Bremse,
kann die Versorgung des Bordnetzes und der Impulslast zusätzlich aus
dem ersten Energiespeicher bzw. SuperCap erfolgen, wenn die Generatorspannung
UG unter die Spannung des ersten Energiespeichers fällt, und
das erste steuerbare Schaltelement 440 kann in den Modus
ID geschalten werden. Kann der Generator den Transienten einer hochdynamischen
Last IL nicht nachregeln, so fällt
die Spannung wie in 6 gezeigt nicht auf die Spannung
des zweiten Energiespeichers 490, sondern wird durch den
ersten Energiespeicher 410 gestützt, wenn UE1 > UE2 eingestellt ist.
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Ein
Stromfluss aus dem ersten Energiespeicher zum Stützen des Bordnetzes kann daher
für Spannungseinbrüche erfolgen,
und der erste Energiespeicher ist von die Lebensdauer verkürzenden Spannungs-Rippeln
entlastet. Des Weiteren lässt sich
eine Glättung
des Bordnetzes und auch die Belastung des ersten Energiespeichers
durch eine Ladeschwelle variable einstellen. Der Unterschied zwischen
gemittelter Bordnetzspannung und Spannung am ersten Energiespeicher
lässt sich über einen
Mikrokontroller auch variabel einstellen, so dass sich eine maximale
Glättung
unter Berücksichtung
der Ripple-Beaufschlagung
des ersten Energiespeichers einstellen lässt.
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Zum
besseren Verständnis
der Spannungsverteilung, und insbesondere wo die Spannungen abfallen,
werden im Folgenden 5 und 6 erklärt, so dass
auch die durch die Vorrichtung erzielten vorteilhaften Wirkungen
leicht verstanden werden können.
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5 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zum Steuern einer Energieversorgung
eines Bordnetzes eines Fahrzeuges. Die Vorrichtung umfasst einen
ersten Energiespeicher 510, einen Starter 520, einen
Generator 530, ein steuerbares Schaltelement 540,
eine Steuereinrichtung 550 zum Steuern des steuerbaren
Schaltelements 540, eine Ladeschaltung 555, Verbraucher 580,
einen Impulslastverbraucher 585, einen zweiten Energiespeicher 590 und eine
Schalteinheit S2. Die einzelnen Elemente entsprechen im Wesentlichen
den zuvor beschriebenen Elementen und eine genaue Beschreibung wird
daher weggelassen.
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Die
an dem ersten Energiespeicher 510 abfallende Spannung UE1
und die an dem Generator abfallende Spannung UG bestimmen den Schaltzustand,
der von der Steuereinrichtung 550 ausgegeben wird. Der
zweite Energiespeicher 590 stellt eine Spannung UE2 bereit,
beispielsweise für
den Starter 520 beim Kaltstart des Fahrzeuges. Somit können in der
Vorrichtung der 5 der erste Energiespeicher 510,
der zweite Energiespeicher 590 und der Generator 530 eine
Energie für
die Verbraucher 580 und die Impulslastverbraucher 585 bereitstellen, über die somit
im Bordnetz an einem Verbraucher eine daraus resultierende Bordnetzspannung
UBN abfallen kann.
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Die
Generatorspannung UG bestimmt typischerweise die Bordnetzspannung
UBN. Die Ladeschaltung 555 in 5 kann so
eingerichtet werden, dass die Spannung am ersten Energiespeicher
UE1 um eine konstante Spannungsdifferenz unterhalb der Generatorspannung
liegt. Die Generatorspannung UG und die Spannung am ersten Energiespeicher UE1
können
so eingerichtet werden, dass sie größer als die Spannung des zweiten
Energiespeichers UE2 sind.
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Der
zweite Energiespeicher und der Generator können auch z. B. mehrere Hochstromverbraucher
gleichzeitig oder nacheinander mit Energie versorgen, so dass deren
Funktionalität
auch bei einem Starten des Starters gesichert ist, wobei Spannungseinbrüche im Bordnetz
durch die Vorrichtung vermieden werden.
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6 zeigt
einen zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung eines Fahrzeuges.
Die Bordnetzspannung UBN unterliegt Spannungsfluktuationen auf Grund
der Verbraucher des Bordnetzes. Insbesondere können ohne Unterstützung durch
den ersten Energiespeicher starke Fluktuationen auftreten, die beispielsweise
zu einer Bordnetzspannung UBN unterhalb der der Spannung des zweiten
Energiespeichers UE2 führt.
Durch die oben beschriebene Vorrichtung wird jedoch bei Unterschreitung
einer bestimmten Spannung im Bordnetz, d. h. bei einer bestimmten
Größe der Spannungsfluktuation,
das steuerbare Schaltelement derart geschalten, dass ein Strom von
dem ersten Energiespeicher in das Bordnetz fließt und somit das Bordnetz unterstützt wird. Dies
ist durch „D1
leitend”,
d. h. Schaltelement weist Diodenfunktion auf in Richtung des zweiten
Bereichs, in 6 dargestellt. Durch das Aufladen
des ersten Energiespeichers auf eine Spannung UE1, die größer ist
als die Spannung UE2 des zweiten Energiespeichers, ergibt sich der
Vorteil, dass das Bordnetz stabilisiert wird und die Fluktuationen
in ihrer Stärke begrenzt
werden. Durch das Aufladen des ersten Energiespeichers auf eine
Spannung UE1, die unterhalb des Generatorhubs liegt, wird darüber hinaus die
Lebensdauer des Energiespeichers erhöht.
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Bevorzugt
kann die Vorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Automobil,
zur Spannungsstabilisierung des Bordnetzes verwendet werden.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung erkennt der Fachmann, dass verschiedene
Modifikationen und Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens
der Erfindung durchgeführt
werden können, ohne
den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner
wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben,
die jedoch nur zum verbesserten Verständnis der Erfindung dienen sollen,
und diese nicht einschränken
sollen. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene
Kombinationen der Elemente zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können.
Deshalb wird der wahre Umfang der Erfindung durch die folgenden
Ansprüche
gekennzeichnet.