DE102008056604B4

DE102008056604B4 - Versorgungsnetz für schaltbare Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher in Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102008056604B4
Application number: DE102008056604A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bürger; Hilko Hakvoort; Marc Dr. Menzel; Sighard Dr. Schräbler; Sebastian Strunck
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2028-11-11
Also published as: DE102008056604A1

Abstract

Versorgungsnetz für schaltbare Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher in Fahrzeugen, mit mindestens einem ersten Energiespeicher und einem zweiten Energiespeicher,
zwischen denen ein Umrichter für einen Energieaustausch zwischen den Energiespeichern angeordnet ist,
wobei der Umrichter und die Energiespeicher (1, 2) derart miteinander verbunden sind, dass in Bezug auf die Fahrzeugmasse eine positive und eine negative Spannung lieferbar ist, und der Umrichter als Sperrwandler (3) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sperrwandler (3) einen ersten Halbleiterschalter (4) und einen zweiten Halbleiterschalter (5) oder eine Diode umfasst, die zwischen dem positiven Anschluss des ersten Energiespeichers (1) und dem negativen Anschluss des zweiten Energiespeichers (2) in Reihe liegen, an deren Verbindungspunkt mindestens eine mit Fahrzeugmasse verbundene Spule (6) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Versorgungsnetz für schaltbare Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher in Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
In der Kraftfahrzeugtechnik ist ein so genanntes Zweispannungsbordnetz bekannt, bei dem zusätzlich zu der im Fahrzeug vorhandenen Batterie, die üblicherweise eine Spannung im Bereich von 12–14 V zur Verfügung stellt, ein zweiter Energiespeicher mit einem Spannungswandler vorgesehen ist.
Um Kraftstoff zu sparen, ist es ebenfalls bekannt, den Motor bei Stopps, auch bei relativ kurzzeitigen Stopps, wie Halten an einer Verkehrsampel, auszuschalten und wieder zu starten. Diese Kraftstoff- und CO₂-sparende Start/Stopp-Technik führt dazu, dass, beispielsweise aufgrund der großen Startleistung zwischen 500 W und 8000 W für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise 0,5 s Dauer, für mehrere Sekunden das Radio ausfällt. Auch bei anderen Elektronikkomponenten kann es beim Startvorgang zum Reset kommen. Der beim Startvorgang auftretende Spannungseinbruch kann in bekannter Weise durch Abkopplung des Starters und dessen Betrieb aus dem zweiten Energiespeicher in einem Zweispannungsbordnetz vermieden werden.
Aus der EP 1 248 345 A2 ist beispielsweise ein Vier-Quadranten-Umrichter bekannt, der zwischen zwei Spannungsquellen geschaltet ist und der in einem Fahrzeug-Versorgungsnetz anwendbar ist. Der Umrichter oder Spannungswandler weist zwei Halbbrücken auf, deren elektronische Schalter impulsweise angesteuert werden, wobei zwischen den Halbbrücken und hier jeweils an den Verbindungspunkten der jeweiligen zwei elektronischen Schalter, eine Spule geschaltet ist. Die jeweilige Halbbrücke bildet zusammen mit der Spule einen bidirektionalen Aufwärts- und einen Abwärtswandler, wodurch die Spannungen in den jeweiligen Spannungsquellen vergrößert oder verringert werden können.
Gattungsgemäße Energieversorgungsschaltungen sind auch in Druckschriften DE 198 39 703 A1 , DE 197 24 356 C1 oder DE 10 2005 012 617 A1 bekannt.
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein so genanntes Zweispannungsbordnetz, d. h. ein Versorgungsnetz für schaltbare Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher, in Fahrzeugen mit mindestens einem ersten und einem zweiten Energiespeicher, zwischen denen ein Spannungswandler oder Umrichter angeordnet ist, zu schaffen, das kostengünstig ist und eine geringere Anzahl von Halbleiterelementen verwendet, wobei Spannungseinbrüche beim Schalten der Verbraucher so weit wie möglich vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, dass erfindungsgemäß die zwei Energiespeicher und der Umrichter derart miteinander verbunden sind, dass eine in Bezug auf die Fahrzeugmasse positive und eine negative Spannung geliefert wird, kann die Anzahl der Halbleiterbauelemente reduziert werden und somit Kosten gespart werden. Durch das erfindungsgemäße Zweispannungsbordnetz mit einer positiven und einer negativen Spannungsebene bezüglich der Fahrzeugmasse können Spannungseinbrüche beim Schalten von Verbrauchern vermieden oder zumindest stark reduziert werden. Die Ausbildung mit negativer und positiver Spannungsebene ist ein sehr unkonventioneller Ansatz, da sich hier die Frage nach der Kurzschlussfestigkeit und gegebenenfalls dem Berührschutz in Bezug auf die Fahrzeugmasse stellt, jedoch kann dies durch Kapselung berücksichtigt werden.
Dabei ist der auch für den bidirektionalen Betrieb auszubildende Umrichter als Sperrwandler ausgebildet, der mindestens einen aktiven, ansteuerbaren elektronischen Schalter, wie beispielsweise einen Feldeffekttransistor, d. h. einen MOSFET und mindestens einen passiven elektronischen Schalter, z. B. eine Diode, umfasst, jedoch ist anstelle des passiven Schalters ein zweiter aktiver elektronischer Schalter vorteilhaft, da die Verluste geringer sind, wobei für den bidirektionalen Betrieb zwei Schalter notwendig sind. Zur Reduzierung der Stromdichte in den Halbleiterschaltern können mehrere parallel geschaltet werden.
In vorteilhafter Weise werden die elektronischen Schalter von einer Steuereinrichtung geregelt mit Impulsen wechselseitig angesteuert, wobei über das Tastverhältnis der Ladezustand der Spannungsquellen beeinflussbar ist. Auf diese Weise kann der gewünschte Lade/Entladevorgang erzielt werden.
Um die Form des gelieferten Stroms zu glätten, d. h. die elektromagnetische Verträglichkeit zu erhöhen, kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass zwischen dem jeweiligen Schalter und dem positiven bzw. negativen Anschluss der Spannungsquellen jeweils eine Glättungsdrossel geschaltet wird.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind mehrere Umrichter parallel zueinander angeordnet, wobei sie auch phasenversetzt betrieben werden können, wodurch mit niedrigerer Frequenz gearbeitet werden kann und die Verluste geringer gehalten werden können. Weiterhin kann parallel zu einem Umrichter als Hauptwandler ein weiterer Umrichter als Reservewandler gleichen Aufbaus, aber mit mehrfach, z. B. zehnfach schwächerer Ausführung geschaltet werden. Dieser Reservewandler kann im Fehlerfall des Hauptwandlers den zweiten Energiespeicher auf die volle Nennspannung aufladen, wobei es nur entsprechend länger dauert. Es steht somit bei Ausfall des Hauptwandlers noch die volle Leistung, z. B. zum Starten zur Verfügung und auch die Strombegrenzung im Ausfallszenario ist so darstellbar. Da die Kosten für einen Wandler überproportional mit seinem Strom steigen, ist der Reservewandler gegenüber dem Hauptwandler von den Kosten her vernachlässigbar.
In einer vorteilhaften Beschaltung kann der Verbraucher, z. B. mit einem Starter über Umschalter mit den Energiespeichern verbunden sein, vorteilhafterweise schaltet der dem Verbraucher zugeordnete Einschalter zwischen Plus und Minus des zweiten Energiespeichers um und ein zweiter Umschalter zwischen Minus und Plus des ersten Energiespeichers. Im Normalfall liefert dann der zweite Energiespeicher die notwendige Spannung für den Verbraucher, z. B. den Starter, während im Ausfallszenario mit dem entsprechenden Umschalter über den ersten Energiespeicher gestartet wird. Im Fall eines Starters als Verbraucher ist ein so genannter Jump-Start mit stark überhöhter Spannung möglich, wenn die zwei Umschalter gleichzeitig umschalten, so dass die Summenspannung auf den Starter gelangt, allerdings kann diese Spannung für einen Starter auch zu hoch sein.
Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Schaltungsvariante mit einem Umschalter zwischen Plus und Minus des zweiten Energiespeichers und dem Einschalter des Verbrauchers in Verbindung mit dem positiven Anschluss des ersten Energiespeichers angewendet wird. Durch entsprechendes Schalten steht im Normalfall die Summenspannung und im Ausfallszenario die Spannung des ersten Energiespeichers zur Verfügung. Wenn diese Art der Beschaltung mit negativer Sekundärspannung gewählt wird, kann für den zweiten Energiespeicher, der üblicherweise aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaut ist, die Anzahl an Kondensatoren verringert werden, wodurch eine kleinere Spannung erzeugt wird. Dies bringt eine Kostenentlastung mit sich, da diese Doppelschichtkondensatoren im Vergleich zur restlichen Schaltung teuer sind.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Versorgungsnetzes,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Versorgungsnetzes,
3 ein Ausführungsbeispiel einer Beschaltung des erfindungsgemäßen Versorgungsnetzes, und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beschaltung des erfindungsgemäßen Versorgungsnetzes.
Die in 1 dargestellte Schaltung repräsentiert ein Versorgungsnetz für einen Starter in einem Fahrzeug, wobei unter Fahrzeug Kraftfahrzeuge, Boote, Flugzeuge, Nutzfahrzeuge, wie Gabelstapler, Bagger oder dergleichen verstanden werden soll. In dem Ausführungsbeispiel wird ein Starter aufgeführt, selbstverständlich sind andere schaltbare Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher, denkbar, wie beispielsweise eine Frontscheibenbeheizung. Die dargestellte Schaltungsanordnung weist einen ersten Energiespeicher 1 auf, der üblicherweise als Fahrzeugbatterie ausgeführt ist. Die Batterie 1 liegt zwischen einem Plus- und einem Minusanschluss und liefert eine positive Spannung u1, üblicherweise bis zu 14 V. Weiterhin ist ein zweiter Energiespeicher 2 vorgesehen, der eine negative Spannung u2 liefert, wobei der zweite Energiespeicher 2 aus einer Kondensatorbank mit Doppelschichtkondensatoren, so genannten Ultracaps gebildet wird.
Zwischen der Batterie 1 und der Kondensatorbank 2 liegt ein Spannungswandler 3, der erfindungsgemäß als Sperrwandler ausgebildet ist. Der Sperrwandler 1 umfasst einen ersten steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einen als MOSFET ausgebildeten Transistor 4, dessen Drainanschluss mit dem positiven Anschluss der Batterie 1 verbunden ist. In Reihe mit dem ersten Transistor 4 liegt ein zweiter elektronischer Schalter, der hier gleichfalls als MOSFET 5 ausgeführt ist, wobei der Drainanschluss des zweiten Transistors 5 mit dem Sourceanschluss des ersten Transistors 4 verbunden ist und der Sourceanschluss des zweiten Transistors 5 mit dem negativen Anschluss der Kondensatorbank 2 verbunden ist. Die Gateelektroden der Transistoren 4 und 5 werden von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung impulsweise gegensinnig angesteuert. Eine Spule 6 ist einerseits an den Verbindungspunkt der zwei Transistoren 4 und 5 und an Fahrzeugmasse angeschlossen. Ein Starter 7 mit seinem Einschalter 8 ist parallel zur Kondensatorbank geschaltet.
Das Prinzip des Sperrwandlers 3, der auch als Buck-Boost-Wandler oder invertierender Wandler bezeichnet wird, ist, dass Energie in der Spule 6 gespeichert wird, wenn beispielsweise der Transistor 4 geschlossen ist und Transistor 5 offen ist, wobei ein Strom aus der Batterie über den Transistor 4, die Spule 6 zurück in die Batterie fließt. Wenn der Transistor 4 schließt und der Transistor 5 öffnet, fließt die in der Spule 6 gespeicherte Energie als Strom in die Kondensatorbank 2.
Der dargestellte Sperrwandler 3 würde unidirektional auch bei Taktung nur des in der Figur linken Transistors funktionieren, weil der jeweils andere Transistor in Rückwärtsrichtung über seine parasitäre Diode leitet. Bekannt ist jedoch, dass die Dioden in korrekt ausgelegten Umrichtern regelmäßig die heißesten Bauteile sind. Daher wird die Rückwärtsdiode mit dem Durchschalten des zugehörigen Transistors unterstützt. Die Transistoren 4 und 5 sind dabei einfach wechselseitig zu schalten, so als ob es sich um eine normale Halbbrücke handelte.
Der Starter 7 wird, wenn der Schalter 8 geschlossen wird, durch die negative Spannung u2, die betragsmäßig größer ist als die Spannung u1, betrieben, allerdings muss die Drehrichtung des Starters 7 zu den üblichen in Fahrzeugen mit Versorgungsnetz ohne negative Spannungsebene konstruktiv umgedreht werden, da er, entsprechend der Erfindung, mit negativer Spannung in die gleiche Richtung laufen muss.
Der vorgeschlagene Negativ-Spannungswandler bzw. Sperrwandler kommt mit deutlich weniger Bauteilen als bei dem üblichen Vier-Quadranten-Umrichter aus, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird, da weniger Halbleiterbauelemente einen geringeren Einschaltwiderstand RDS_on bedeuten.
In 2 ist eine Schaltung schematisch dargestellt, für den Fehlerfall des Spannungswandlers 3 nach 1, der hier als Hauptwandler H bezeichnet ist, nützlich ist. Es wird ein zweiter Spannungswandler 3, der hier als Reservewandler R bezeichnet ist, parallel zum Hauptwandler H geschaltet, wobei dieser Wandler sehr viel schwächer ausgeführt ist, z. B. zehnfach schwächer. Wenn der Hauptwandler ausfällt, lädt der gleichartige, aber in seiner Dimensionierung schwächere Reservewandler R die Kondensatorbank 2 parallel zu dem Hauptwandler H auf. Mit dem Reservewandler R wird ebenfalls die volle Nennspannung der Kondensatorbank 2 erreicht, allerdings dauert es länger. So steht immer noch die volle Startleistung zur Verfügung und es ist auch eine Verminderte Versorgung im Ausfallszenario vom Hauptwandler H so darstellbar.
In 3 ist eine andere Art der Anordnung des Starters 7 vorgesehen als in 1. Der Starter 7 ist zweiseitig von der Spannung u2 abgekoppelt und kann umgepolt an u1 angeschaltet werden. Dies wird durch zwei Umschalter 9, 10 realisiert, wobei Umschalter 10 zwischen den Plus- und Minusanschlüssen der Kondensatorbank 2 und der Umschalter 9 zwischen den Minus- und Plusanschlüssen der Batterie 1 umschaltbar ist. Im Normalfall wird der Starter 7 mit dem Umschalter 10 gestartet, indem er aus der dargestellten Stellung in die Stellung gebracht wird, in der er mit dem negativen Anschluss der Kondensatorbank verbunden wird. Somit kann der Starter mit der Spannung u2 in Gang gesetzt werden. Im Ausfallszenario ist der Umschalter 10 in der dargestellten Stellung und der Umschalter 9 dient als Startschalter, d. h., er wird mit dem positiven Anschluss der Batterie 1 verbunden, so dass über die Batterie gestartet wird. Eine Strombegrenzung im Fehlerfall ist nicht erforderlich, da der Starter 7 ohne die im ersten Moment niederohmige Kondensatorbank 2 direkt an die Batterie 1 geschaltet wird.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beschaltung des Starters 7 dargestellt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Kondensatorbank 2 mit weniger Kondensatoren versehen werden kann als beispielsweise in der 1. Hierbei ist der Einschalter 8 des Starters zwischen diesem und dem positiven Anschluss der Batterie 1 geschaltet, während ein Umschalter 11 zum Umschalten zwischen positivem und negativem Anschluss der Kondensatorbank 2 vorgesehen ist. Aufgrund der geringeren Menge an Kondensatoren der Kondensatorbank 2 ist somit auch die negative Spannung u2 betragsmäßig kleiner als in den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen. Die für den Starter 7 gewünschte höhere Spannungsebene wird somit als Reihenschaltung von Batterie 1 und Kondensatorbank 2 realisiert. Im Normalfall weist der Umschalter 11 die in 4 dargestellte Stellung auf und beim Betätigen des Einschalters 8 liegt die Summe aus Batteriespannung u1 und Kondensatorbankspannung u2 am Starter 7 an. Falls ein Ausfall auftritt, wird der Umschalter 11 umgelegt, und der Starter 7 wird masseseitig mit der Batteriemasse verbunden. Auf diese Weise steht zumindest eine reduzierte Starterspannung zur Verfügung.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Bordnetzspannung nur für die Komponente S (Starter) vergrößert, es ist jedoch denkbar, auch die Komfortkomponenten zu stützen!
Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Wandlungsrichtung umzukehren.

Claims

Versorgungsnetz für schaltbare Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher in Fahrzeugen, mit mindestens einem ersten Energiespeicher und einem zweiten Energiespeicher, zwischen denen ein Umrichter für einen Energieaustausch zwischen den Energiespeichern angeordnet ist, wobei der Umrichter und die Energiespeicher (1, 2) derart miteinander verbunden sind, dass in Bezug auf die Fahrzeugmasse eine positive und eine negative Spannung lieferbar ist, und der Umrichter als Sperrwandler (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler (3) einen ersten Halbleiterschalter (4) und einen zweiten Halbleiterschalter (5) oder eine Diode umfasst, die zwischen dem positiven Anschluss des ersten Energiespeichers (1) und dem negativen Anschluss des zweiten Energiespeichers (2) in Reihe liegen, an deren Verbindungspunkt mindestens eine mit Fahrzeugmasse verbundene Spule (6) angeschlossen ist.
Versorgungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter für einen bidirektionalen Betrieb ausgebildet ist.
Versorgungsnetz nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (1) eine Fahrzeugbatterie zum Liefern einer gegenüber der Fahrzeugmasse positiven Spannung ist.
Versorgungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (2) aus in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren besteht, die eine negative Ausgangsspannung in Bezug auf die Fahrzeugmasse liefern.
Versorgungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Halbleiterschalter (4, 5) von einer Steuereinrichtung geregelt mit Impulsen ansteuerbar sind, wobei der Ladezustand der Energiespeicher (1, 2) von dem Tastverhältnis der Impulse abhängt.
Versorgungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrwandler am Eingang und Ausgang zusätzliche Drosseln zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit umfasst.
Versorgungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Halbleiterschaltern (4, 5) beidseitig der Spule (6) mindestens ein weiterer Halbleiterschalter zur Herabsetzung der Stromdichte geschaltet ist.
Versorgungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umrichter parallel geschaltet sind.
Versorgungsnetz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Umrichter phasenversetzt betreibbar sind.
Versorgungsnetz nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Umrichter als Hauptwandler (H) und mindestens ein anderer als Reservewandler (R) dient, der eine leistungsschwächere Auslegung als der Hauptwandler aufweist.
Versorgungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über dem zweiten Energiespeicher (2) liegende Spannung (u2) vom Betrag her größer als die über dem ersten Energiespeicher (1) liegende Spannung (u1) ist.
Versorgungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Verbraucher (7) ein Starter ist.
Versorgungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass der schaltbare Verbraucher (7) über einen ihm zugeordneten Einschalter (8) zur Versorgung mit einer negativen Spannung parallel zum zweiten Energiespeicher (2) anschließbar ist.
Versorgungsnetz nach einem der 1–12 Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dem schaltbaren Verbraucher ein Einschalter (8) und/oder ein oder mehrere Umschalter (9, 10, 11) zugeordnet sind, die derart schaltbar sind, dass der Verbraucher über die Summenspannung aus den Spannungen (u1, u2) des ersten und zweiten Energiespeichers (1, 2) betreibbar ist.
Versorgungsnetz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschalter (8) und/oder der oder die Umschalter (9, 10, 11) derart schaltbar sind, dass der Verbraucher wahlweise nur über die Spannung (u1) des ersten Energiespeichers (19 oder spannungsrichtig nur über die Spannung (u2) des zweiten Energiespeichers betreibbar ist.