DE102009008255A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Energiebordnetzes - Google Patents

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    • H02J2310/40The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/46The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ICE-powered road vehicles

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs. Im Betrieb des Verfahrens liegt an einem ersten Bordnetzzweig (BN1) eine erste Spannung (U) an, wobei an den ersten Bordnetzzweig (BN1) ein erster Energiespeicher (ES1), ein Generator (G) zur Speisung des ersten Energiespeichers (ES1) und zumindest ein erster Verbraucher (R1) angeschlossen sind. An einem zweiten Bordnetzzweig (BN2) liegt eine zweite Spannung (U) an, die höher als die erste Spannung (U) ist, wobei an den zweiten Bordnetzzweig (BN2) ein zweiter Energiespeicher (ES2), eine Ladeeinheit (DCDC) zur Speisung des zweiten Energiespeichers (ES2), die ferner mit dem ersten Bordnetzzweig (BN1) gekoppelt ist, und zumindest ein zweiter Verbraucher (R2) angeschlossen sind, wobei der erste und der zweite Energiespeicher (ES1, ES2) zur Erzeugung der zweiten Spannung (U2) seriell miteinander verschaltet sind. Zur Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Ladeeinheit (DCDC) werden zumindest die erste und zweite Spannung (U, U) durch ein jeweiliges Messglied (H, H) erfasst werden, aus welchen ein Ladestrom (I) für den zweiten Energiespeicher (ES2) ermittelt und erzeugt wird. Schließlich werden die erfasste erste und/oder zweite Spannung (U, U) mit einem nicht-linearen Element (SL, SL) derart konditioniert, dass die Ladeeinheit (DCDC) den zweiten Energiespeicher (ES2) bei Spannungsüberhöhungen ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner eine Ladeeinheit sowie eine Vorrichtung zum Betrieb eines Energiebordnetzes mit einer Ladeeinheit. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt.
  • Ein Energiebordnetz in einem Kraftfahrzeug umfasst typischerweise einen Generator, eine (Starter-)Batterie, eine Vielzahl von Verbrauchern sowie Komponenten zur Verteilung der elektrischen Energie. Bedingt durch das dynamische Verhalten der Vielzahl von Verbrauchern sowie dem Generator ist die Spannung in dem Energiebordnetz von Schwankungen gekennzeichnet. Die wichtigsten Ursachen für Spannungseinbrüche sind die begrenzte Leistungsfähigkeit der Batterie und des Generators sowie Lastsprünge in Folge des Verhaltens der elektrischen Verbraucher. Der Generator zeichnet sich dabei auch durch ein träges Ansprechverhalten aus. Dieses träge Ansprechverhalten führt besonders bei abrupten Lastabwürfen und einem eingeschränkten Ladungsaufnahmevermögen der Batterie zu Spannungsüberhöhungen. Sowohl Spannungseinbrüche als auch Spannungsüberhöhungen setzen die Qualität der Energieversorgung herab und können zu einem erhöhten Aufwand in der Beschaltung der Versorgungseingänge der Verbraucher führen. Allgemein können die Spannungsschwankungen zu wahrnehmbaren Einschränkungen von Fahrzeugfunktionen führen. Beispielsweise können die Schwankungen der Bordnetzspannung zum Flackern von Innen- und Außenbeleuchtung des Fahrzeugs führen.
  • Zur Versorgung transienter Hochleistungsverbraucher, wie z. B. einer elektrischen Lenkung oder einer elektrischen Bremse, können Bordnetzarchitekturen mit mehreren und/oder erhöhten Spannungsebenen eingesetzt werden. Auf Basis eines konventionellen Energiebordnetzes lässt sich eine erhöhte Versorgungsspannung für transiente Hochleistungsverbraucher unter anderem durch die Serienschaltung der Starterbatterie und eines zusätzlichen Energiespeichers (z. B. einer weiteren Batterie oder einem Kondensator) generieren. Der zusätzliche Energiespeicher wird mit Hilfe einer Ladeeinheit gespeist. Die Ladeeinheit, z. B. ein DC/DC-Wandler, wird derart geregelt, dass entweder ein definierter maximaler Ausgangsstrom in den zusätzlichen Energiespeicher eingespeist wird oder eine definierte maximale Ausgangsspannung an dem zusätzlichen Energiespeicher eingestellt wird.
  • Ein solches und auch der Erfindung zu Grunde liegendes Energiebordnetz ist in 1 dargestellt. Das Energiebordnetz verfügt über zwei Bordnetzzweige BN1 und BN2. An dem ersten Bordnetzzweig BN1 liegt im Betrieb eine erste Spannung U1 an. An dem ersten Bordnetzzweig sind ein erster Energiespeicher ES1, z. B. eine Starterbatterie, ein Generator G zur Speisung des ersten Energiespeichers ES1 und zumindest ein Verbraucher R1 angeschlossen. An dem zweiten Bordnetzzweig BN2 liegt im Betrieb eine zweite Spannung an, die höher als die erste Spannung ist und durch eine Serienschaltung des ersten und eines zweiten Energiespeichers ES1, ES2 erzeugt ist. Der zweite Energiespeicher ES2 (z. B. eine Batterie) sowie eine Ladeeinheit DCDC und zumindest ein zweiter Verbraucher R2 sind an den zweiten Bordnetzzweig BN2 angeschlossen. Die Ladeeinheit DCDC dient zur Speisung des zweiten Energiespeichers ES2 und ist ferner mit dem ersten Bordnetzzweig BN1 gekoppelt. Während der erste Energiespeicher ES1 des ersten Bordnetzzweigs BN1 durch den daran angeschlossenen Generator G gespeist wird, wird der zweite Energiespeicher ES2 mit einem Strom IDCDC durch die Ladeeinheit DCDC unter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetz BN1 gespeist.
  • Die Ladeeinheit DCDC wird üblicherweise derart geregelt, dass in den zweiten Energiespeicher ES2 bzw. den zweiten Bordnetzzweig BN2 ein maximaler Strom Imax,DCDC gespeist wird, so lange eine über dem zweiten Energiespeicher ES2 anliegende Spannung UES2 einen definierten Zielwert UIs,ES2 unterschreitet. Wird der definierte Zielwert für den Ladezustand an dem zweiten Energiespeicher ES2 erreicht (z. B. eine Ladeschlussspannung UIs,ES2), dann regelt die Ladeeinheit DCDC den in den zweiten Energiespeicher ES2 eingespeisten Strom IDCDC herunter. 2 zeigt einen solchen beispielhaften Verlauf der Spannung UES2 des zweiten Energiespeichers ES2, welcher mit dem Strom IDCDC gespeist wird. Hierbei ist ohne Weiteres zu erkennen, dass der zweite Energiespeicher ES2 mit dem maximalen Ladestrom Imax,DCDC geladen wird, so lange der Zielwert, die Ladeschlussspannung UIS,ES2, noch nicht erreicht ist. Nach dem Erreichen der Ladeschlussspannung reduziert sich der in den zweiten Energiespeicher ES2 eingespeiste Strom.
  • Eine beispielhafte Ausführung der Regelungsstruktur einer Ladeeinheit DCDC, welche ein Ladeverhalten entsprechend der Darstellung in 2 sicherstellt, ist in 3 dargestellt.
  • Die Regelungsstruktur dient der Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Ladeeinheit DCDC aus 1. Hierbei findet keine Regelung der Eingangsspannung U1 durch die Ladeeinheit DCDC statt. In 3 ist mit GBN die Übertragungsfunktion der Regelstrecke, d. h. das in 1 dargestellte Energiebordnetz und Leistungsstufe der Ladeeinheit DCDC, gekennzeichnet. Durch ein Messglied HI erfolgt eine Erfassung des von der Ladeeinheit DCDC abgegebenen Stromes IDCDC. Durch die Messglieder HU1 und HU2 erfolgt eine messtechnische Erfassung der Spannungen U1 und U2, aus welchen durch Differenzbildung die tatsächliche über dem zweiten Energiespeicher ES2 anliegende Spannung Uist,ES2 ermittelt wird. Wenn die Spannungsregelung REGU als digitaler Regler implementiert ist, werden die messtechnisch erfassten Größen IDCDC, U1, U2 durch die jeweiligen Messglieder HI, HU1, HU2 zur weiteren Verarbeitung in ein jeweiliges Digitalsignal gewandelt. Hierzu können auch von den Messgliedern unterschiedliche AD-Wandler eingesetzt werden. Einem Spannungsregler REGU wird die Differenz aus einem Zielwert (Ladeschlussspannung UIs,ES2) und der ermittelten Ist-Spannung über dem zweiten Energiespeicher ES2 (Uist,ES2 ) zugeführt. Die hieraus durch den Spannungsregler REGU ermittelte Regelgröße wird mit einem Soll-Strom Imax,DCDC und dem erfassten Strom IDCDC einem Stromregler REG, zur Ermittlung einer Regelgröße für den Strom zugeführt. Entsprechend der ermittelten Regelgröße wird der zweite Energiespeicher ES2 mit dem ermittelten Strom IDCDC geladen.
  • Die Anwendung des in 3 dargestellten Regelungsprinzips in dem in 1 gezeigten Energiebordnetz erfordert eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung und Verarbeitung der Messwerte durch die Messglieder, wodurch deren Messbereich möglichst klein gehalten werden muss. Hierdurch können Messbereichsüberschreitungen auftreten. Andererseits nimmt beim Messen elektrischer Größen mit steigendem Messbereich der maximale absolute Fehler zu. Ein hoher Messbereich ist jedoch notwendig, um auch bei auftretenden Spannungsüberhöhungen in dem ersten und/oder zweiten Bordnetzzweig BN1, BN2 korrekte Messwerte zu erhalten. Der große Messbereich steht damit einer genauen Messung der zu erfassenden Signale entgegen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs anzugeben, mit welchen ein verbesserter Betrieb des Energiebordnetzes ermöglicht wird. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladeeinheit zur Speisung eines Ener giespeichers eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs anzugeben. Gemäß einer weiteren Aufgabe ist ein Computerprogrammprodukt anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, eine Ladeeinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 10, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruches 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs, bei dem im Betrieb an einem ersten Bordnetzzweig eine erste Spannung anliegt, wobei an dem ersten Bordnetzzweig ein erster Energiespeicher, ein Generator zur Speisung des ersten Energiespeichers und zumindest ein erster Verbraucher angeschlossen sind. An einem zweiten Bordnetzzweig liegt eine zweite Spannung an, die höher als die erste Spannung ist, wobei an dem zweiten Bordnetzzweig ein zweiter Energiespeicher, eine Ladeeinheit zur Speisung des zweiten Energiespeichers, die ferner mit dem ersten Bordnetzzweig gekoppelt ist, und zumindest ein zweiter Verbraucher angeschlossen sind, wobei der erste und der zweite Energiespeicher zur Erzeugung der zweiten Spannung seriell miteinander verschaltet sind. Zur Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Ladeeinheit werden zumindest die erste und zweite Spannung durch ein jeweiliges Messglied erfasst, aus welchen ein Ladestrom für den zweiten Energiespeicher ermittelt und erzeugt wird. Aus der ersten und der zweiten Spannung wird z. B. durch Differenzbildung das Signal der Spannung am zweiten Energiespeicher generiert. Die erfasste erste und/oder zweite Spannung werden mit einem nicht-linearen Element derart konditioniert, dass die Ladeeinheit den zweiten Energiespeicher bei Spannungsüberhöhungen der ersten Spannung unter erhöhter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig und/oder bei Spannungseinbrüchen der ersten Spannung unter verringerter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig lädt.
  • Die Erfindung schafft ferner eine Ladeeinheit zur Speisung eines Energiespeichers eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs, das einen ersten Bordnetzzweig, an dem im Betrieb eine erste Spannung anliegt, und einen zweiten Bordnetzzweig, an dem im Betrieb eine zweite, höhere Spannung anliegt, umfasst, wobei die Ladeeinheit mit dem ersten und dem zweiten Bordnetzzweig gekoppelt ist, wobei die Ladeeinheit dazu ausgebildet ist, zur Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Ladeeinheit zumindest die erste und zweite Spannung durch ein jeweiliges Messglied zu erfassen und aus deren Signale ein Ladestrom für den zweiten Energiespeicher ermittelt und erzeugt wird. Die Ladeeinheit ist weiter dazu ausgebildet, die erfasste erste und/oder zweite Spannung mit einem nicht-linearen Element, insbesondere einem Signalwertlimitierer, einem Hoch- und/oder einem Tiefpass oder einem Bandpass, derart zu konditionieren, dass die Ladeeinheit den zweiten Energiespeicher bei Spannungsüberhöhungen der ersten Spannung unter erhöhter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig und/oder bei Spannungseinbrüchen der ersten Spannung unter verringerter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig lädt.
  • Die Erfindung schafft schließlich eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs, das Folgendes umfasst: einen ersten Bordnetzzweig, an dem im Betrieb eine erste Spannung anliegt, wobei an dem ersten Bordnetzzweig ein erster Energiespeicher, ein Generator zur Speisung des ersten Energiespeichers und zumindest ein erster Verbraucher angeschlossen sind. Einen zweiten Bordnetzzweig, an dem im Betrieb eine zweite Spannung anliegt, die höher als die erste Spannung ist, wobei an dem zweiten Bordnetzzweig ein zweiter Energiespeicher, eine Ladeeinheit zur Speisung des zweiten Energiespeichers, die ferner mit dem ersten Bordnetzzweig gekoppelt ist, und zumindest ein zweiter Verbraucher angeschlossen sind, wobei der erste und der zweite Energiespeicher zur Erzeugung der zweiten Spannung seriell miteinander verschaltet sind. Schließlich umfasst die Vorrichtung eine erfindungsgemäße Ladeeinheit.
  • Die Erfindung schafft auch ein Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Rechners geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Rechner abläuft.
  • Die Erfindung ermöglicht nicht nur die Bereitstellung eines definierten maximalen Ausgangsstroms in den zweiten Energiespeicher bzw. die Bereitstellung einer definierten maximalen Ausgangsspannung an dem zweiten Energiespeicher, sondern auch eine gezielte Rückwirkung auf den ersten Bordnetzzweig, wodurch Spannungsüberhöhungen und Spannungseinbrüche der ersten Spannung zumindest zum Teil ausgeglichen werden können. Die zur Regelung der Ladeeinheit zurückgeführten Größen können erfindungsgemäß derart konditioniert werden, dass der Verbund aus dem zweiten Energiespeicher und der Ladeeinheit eine erwünschte und gezielte Rückwirkung auf den ersten Bordnetzzweig hat. Diese Rückwirkung kann als Stabilisierung genutzt werden, ohne dass die Spannung des ersten Bordnetzzweigs explizit geregelt wird. Insbesondere entspricht die Rückwirkung auf den ersten Bordnetzzweig einer transienten Variation des Energieentnahmeverhaltens und sorgt damit für das erwünschte stabilisierende Moment.
  • Ermöglicht wird dies durch ein nicht-lineares Element zur Konditionierung der ersten und/oder zweiten Spannung, wodurch der Ladeeinheit bei Spannungsüberhöhungen oder -einbrüchen in der Regelungsstruktur zumindest ein nicht der tatsächlich gemessenen Größe entsprechender Wert zugeführt wird, wodurch eine aktive Regelung durch die Ladeeinheit des zweiten Bordnetzzweigs herbeigeführt wird. Aufgrund der Koppelung der Ladeeinheit auch mit dem ersten Bordnetzzweig kann hierdurch die erwünschte stabilisierende Wirkung herbeigeführt werden.
  • Insbesondere erfolgt eine Ladung (Speisung) des zweiten Energiespeichers auch dann, wenn eine Ladeschlussspannung der zweiten Spannung bereits erreicht ist. Dies bedeutet, an sich bräuchte der zweite Energiespeicher nicht weiter durch die Ladeeinheit gespeist zu werden. Aufgrund der dynamischen Verhältnisse in dem Energiebordnetz und des lediglich kurzzeitig vorliegenden Ladevorgangs des zweiten Energiespeichers ist es für diesen jedoch unschädlich.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird durch das nicht-lineare Element die erfasste erste und/oder zweite Spannung vor oder nach dem jeweiligen Messglied mit dem nicht-linearen Element konditioniert. Das nicht-lineare Element kann beispielsweise durch einen Signalwertlimitierer, einen Hoch- und/oder Tiefpass und/oder einen Bandpass gebildet sein. Die Verwendung eines nicht-linearen Elements der genannten Art bietet den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit bekannten Regelungsstrukturen durchgeführt werden kann, denen das nicht-lineare Element als zusätzliches Element hinzugefügt wird. Hierdurch lässt sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfache und kostengünstige Weise bereitstellen. So kann insbesondere in bekannter Weise ein Spannungs-Regler der Ladeeinheit als Mikrocontroller (μC) und ein Strom-Regler der La deeinheit als integrierter Chip (IC) ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Messglieder zur Erfassung zumindest der ersten und/oder zweiten Spannung (sowie des durch die Ladeeinheit abgegebenen Stroms) in einem gemeinsamen integrierten Chip realisiert sein. Bekannt sind auch solche Lösungen, bei denen sämtliche Funktionseinheiten der Ladeeinheit in einem einzigen integrierten Chip vorgesehen sind. Auf diesem könnte dann auch das erfindungsgemäß vorgesehene nicht-lineare Element angeordnet sein.
  • Insbesondere erfolgt durch das nicht-lineare Element eine Begrenzung der Signalbereiche der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung nach oben und/oder unten hin. Alternativ erfolgt durch das nicht-lineare Element eine Begrenzung der Messwertbereiche der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung nach oben und/oder unten hin. Hierdurch kann der absolute Messfehler mit einer hardwaremäßigen Einschränkung des Messwertbereichs reduziert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann durch das nicht-lineare Element eine Filterung hoch- und/oder tieffrequenter Signalanteile der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung erfolgen. Insbesondere werden bei der Konditionierung der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung mittels Tiefpassfilterung die hochfrequenten Anteile der ersten Spannung ab einer Grenzfrequenz gefiltert, welche um eine Größenordnung höher liegt als die Grenzfrequenz für die Filterung hochfrequenter Anteile der zweiten Spannung.
  • Alternativ kann durch das nicht-lineare Element eine Bandpass-Filterung der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung erfolgen. Wahlweise kann die Signalkonditionierung durch Software oder Hardware realisiert sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines bereits erläuterten und der Erfindung zu Grunde liegenden Energiebordnetzes,
  • 2 eine bereits erläuterte beispielhafte Darstellung eines Ladeverlaufs eines Energiespeichers durch eine Ladeeinheit,
  • 3 ein bereits erläutertes prinzipielles Schaltbild der Ladeeinheit innerhalb eines Bordnetzsystems mit Regelgliedern und Messgliedern,
  • 4 eine schematische Darstellung der Spannungsverläufe in dem ersten und dem zweiten Bordnetzweig eines Energiebordnetzes sowie eines Stroms der Ladeeinheit während einer Fluktuation der Spannung im ersten Bordnetzzweig,
  • 5 ein prinzipielles Systemschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladeeinheit innerhalb eines Energiebordnetzes gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, und
  • 6 ein prinzipielles Systemschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladeeinheit innerhalb eines Energiebordnetzes gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
  • Die Erfindung basiert auf dem eingangs bereits beschriebenen Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs gemäß 1. Durch das in den 5 und 6 näher beschriebene Regelprinzip der Ladeeinheit DCDC können die erfassten Größen (die erste Spannung U1, die zweite Spannung U2 und der von der Ladeeinheit abgegebene Strom IDCDC) derart konditioniert werden, dass der Verbund aus dem zweiten Energiespeicher ES2 und der Ladeeinheit DCDC eine erwünschte Rückwirkung auf den ersten Bordnetzzweig BN1 hat. Diese Rückwirkung kann für den ersten Bordnetzzweig 1 als Stabilisierung genutzt werden, ohne dass die Spannung U1 des ersten Bordnetzzweigs BN1 explizit geregelt wird. Stattdessen dient die Ladeeinheit DCDC, wie eingangs bereits erläutert, dazu, eine Regelung des zweiten Bordnetzzweigs BN2 bzw. des zweiten Energiespeichers ES2 sicher zu stellen.
  • Die stabilisierende Rückwirkung auf die Spannung des ersten Bordnetzzweigs BN1 wird durch das Vorsehen eines nicht-linearen Elements vor oder nach dem jeweiligen Messglied HU1, HU2 bewirkt, indem die durch ein jeweiliges Messglied erfasste Signalgröße, nämlich die erste und/oder zweite Spannung U1, U2 gegebenenfalls modifiziert wird. Da diese Modifikation gezielt erfolgt, wird diese als Konditionierung bezeichnet. Dies ist exemplarisch in den beiden Ausführungsbeispielen der 5 und 6 dargestellt. Die nicht-linearen Elemente SL1, SL2 sind hierbei beispielsweise durch Signalwertlimitierer, einen Hoch- und/oder Tiefpass oder einen Bandpass gebildet. Das Wirkprinzip basiert darauf, dass durch eine Limitierung des Signalbereichs, z. B. für die rückgeführte zweite Span nung U2, nach oben hin eine Verfälschung von Uist,ES2 über dem zweiten Energiespeicher ES2 bewirkt und damit eine Reaktion in der Reglerkette initiiert werden kann. Es erfolgt nämlich eine Limitierung der zweiten Spannung U2 auf einen maximalen stationären Wert Umax,U2lim, welcher niedriger als der zu erwartende maximale transiente Wert ist.
  • Es wird in der nachfolgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass die nicht-lineare Konditionierung lediglich auf die erfasste zweite Spannung angewendet wird. Diese kann beispielsweise durch einen in dem Erfassungspfad angeordneten Signalwertlimitierer realisiert sein.
  • Dieses Wirkprinzip wird besser anhand von 4 ersichtlich, welches eine schematische Darstellung der Spannungsverläufe der ersten und zweiten Spannung U1, U2 sowie des Ladeeinheit-Stroms IDCDC während Schwankungen der ersten Spannung U1 im ersten Bordnetzzweig BN1 zeigt. Die Limitierung des Spannungsmessbereichs auf Umax,U2lim führt dazu, dass beim Anliegen von stationären Maximalspannungswerten an dem ersten Energiespeicher ES1 und/oder dem zweiten Energiespeicher ES2 kurzzeitige Spannungserhöhungen in dem ersten Bordnetzzweig BN1 auftreten, welche zum Ergebnis haben, dass der tatsächliche Wert der zweiten Spannung U2 den gemessenen und über das nicht-lineare Element konditionierten Spannungswert übersteigt. Dies führt zu einer bewussten Verfälschung des für die weitere Regelung herangezogenen Messwerts der über dem zweiten Energiespeicher ES2 anliegenden Spannung UES2, welche aus der Differenz der zweiten Spannung U2 und der ersten Spannung U1 ermittelt wird.
  • In 4 ist der annähernd parallele Verlauf der ersten und zweiten Spannungen U1 und U2 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die zweite Spannung U2 (aufgrund einer Spannungserhöhung von U1) die obere Grenze des Spannungsmessbereichs, so dass die zweite Spannung U2 durch die Konditionierung auf den Maximalwert Umax,U2lim limitiert wird. Diese Limitierung dauert bis zum Zeitpunkt t2 an. Aufgrund der Limitierung ergibt sich durch die Differenzbildung der ersten und zweiten Spannungen U2, U1 eine verringerte Differenz für die Spannung UES2. Aus Sicht der Ladeeinheit DCDC bedeutet dies, dass die Ladeschlussspannung UIs,ES2 des zweiten Energiespeichers ES2 nicht erreicht ist, so dass mit dem maximalen Ladestrom Imax,DCDC geladen werden muss. Aufgrund dessen steigt der Strom IDCDC zwischen t1 und t2 auf diesen maximalen Ladewert an. Die Ladung des zweiten Energiespeichers ES2 erfolgt auch dann, wenn die Ladeschlussspannung der zweiten Spannung an sich erreicht ist. Hierdurch wird für die Dauer der Messverfälschung der Strom der Ladeeinheit durch den Regler erhöht, d. h. bis auf Imax,DCDC.
  • Die kurzzeitige Erhöhung des Stroms IDCDC durch die Ladeeinheit DCDC und die Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig BN1 führt somit dazu, dass der Spannungsüberhöhung der ersten Spannung U1 entgegengewirkt wird und somit ein verringerter Maximalwert von U1 erreicht wird. Dies ist in 4 durch die durchgezogene Linie der ersten Spannung U1 gekennzeichnet. Der punktierte Abschnitt zwischen t1 und t2 stellt den Verlauf der ersten Spannung U1 in der Situation dar, in welcher keine Konditionierung der zweiten Spannung U2 durch das nicht-lineare Element erfolgt.
  • Eine dem beschriebenen Verhalten entsprechende Situation ist weiterhin zum Zeitpunkt t3 dargestellt, zu welchem die reale Spannung von U2 den Spannungsmessbereich Umax,U2lim erzeugt übersteigt. Entsprechend der vorherigen Beschreibung steigt hierdurch der Strom IDCDC wiederum auf seinen Maximalwert Imax,DCDC erneut an und wirkt der Spannungsüberhöhung der ersten Spannung U1 entgegen. Zum Zeitpunkt t4 sinkt die zweite Spannung U2 wiederum unter den Maximalwert von Umax,U2lim ab, so dass auch der Strom IDCDC sich wiederum verringert und auf einen stationären Wert zur Erhaltung der Ladung im zweiten Energiespeicher ES2 absinkt.
  • Die kurzzeitige Erhöhung des Stromes IDCDC wirkt somit der transienten Spannungsüberhöhung im ersten Bordnetzzweig BN1 entgegen, da der Laderegler DCDC seine Energie aus dem ersten Bordnetzzweig bezieht. Der Verbund aus der Ladeeinheit DCDC und dem zweiten Energiespeicher ES2 stellt somit für den ersten Bordnetzzweig BN1 einen aktiven Überspannungsdämpfer dar.
  • Die Signalwertlimitierung kann in analoger Weise auch nach unten hin erfolgen, so dass bei einem Spannungseinbruch der ersten Spannung U1 eine verringerte Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig BN1 durch die Ladeeinheit DCDC erfolgt.
  • Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Konditionierung zumindest eines rückgeführten Signals eine gezielte Rückwirkung durch den Verbund des Ladeeinheit DCDC und den zweiten Energiespeicher ES2 auf den ersten Bordnetzzweig BN1 ermöglicht. Die stabilisierende Wirkung auf den ersten Bordnetzzweig BN1 erfolgt hierbei ohne explizite Regelung der ersten Spannung U1 im ersten Bordnetzzweig BN1. Die Rückwirkung auf den ersten Bordnetzzweig BN1 entspricht einer transienten Variation des Energieentnahmeverhaltens und wirkt für den ersten Bordnetzzweig stabilisierend. Der Verbund aus der Ladeeinheit DCDC und dem zweiten Energiespeicher ES2 schränkt die Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig BN1 zur Speisung des zweiten Bordnetzzweigs BN2 bei Spannungseinbrüchen der ersten Spannung U1 ein und erhöht die Energieentnahme bei Spannungsüberhöhungen der ersten Spannung U1. Die Signalkonditionierung kann wahlweise durch Software oder Hardware realisiert werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs, bei dem im Betrieb – an einem ersten Bordnetzzweig (BN1) eine erste Spannung (U1) anliegt, wobei an den ersten Bordnetzzweig (BN1) ein erster Energiespeicher (ES1), ein Generator (G) zur Speisung des ersten Energiespeichers (ES1) und zumindest ein erster Verbraucher (R1) angeschlossen sind; – an einem zweiten Bordnetzweig (BN2) eine zweite Spannung (U2) anliegt, die höher als die erste Spannung (U1) ist, wobei an den zweiten Bordnetzzweig (BN2) ein zweiter Energiespeicher (ES2), eine Ladeeinheit (DCDC) zur Speisung des zweiten Energiespeichers (ES2), die ferner mit dem ersten Bordnetzzweig (BN1) gekoppelt ist, und zumindest ein zweiter Verbraucher (R2) angeschlossen sind, wobei der erste und der zweite Energiespeicher (ES1, ES2) zur Erzeugung der zweiten Spannung (U2) seriell miteinander verschaltet sind; – zur Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Ladeeinheit (DCDC) zumindest die erste und zweite Spannung (U1, U2) durch ein jeweiliges Messglied (HU1, HU2) erfasst werden, aus welchen ein Ladestrom (IDCDC) für den zweiten Energiespeicher (ES2) ermittelt und erzeugt wird; – die erfasste erste und/oder zweite Spannung (U1, U2) mit einem nichtlinearen Element (SL1, SL2) derart konditioniert werden, dass die Ladeeinheit (DCDC) den zweiten Energiespeicher (ES2) bei Spannungsüberhöhungen der ersten Spannung (U1) unter erhöhter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig (BN1) und/oder bei Spannungseinbrüchen der ersten Spannung (U1) unter verringerter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig (BN1) lädt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ladung des zweiten Energiespeichers (ES2) auch dann erfolgt, wenn eine Ladeschlussspannung (UIs,ES2) der zweiten Spannung (U2) erreicht ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem durch das nicht-lineare Element (SL1, SL2) die erfasste erste und/oder zweite Spannung (U1, U2) vor oder nach dem jeweiligen Messglied (HU1, HU2) mit dem nicht-linearen Element (SL1, SL2) konditioniert werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem durch das nicht-lineare Element (SL1, SL2) eine Begrenzung der Signalbereiche der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung (U1, U2) nach oben und/oder unten hin erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem durch das nicht-lineare Element (SL1, SL2) eine Begrenzung der Messwertbereiche der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung (U1, U2) nach oben und/oder unten hin erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem durch das nicht-lineare Element (SL1, SL2) eine Filterung hoch- und/oder tieffrequenter Signalanteile der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung (U1, U2) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem bei der Konditionierung der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung (U1, U2) mittels Tiefpassfilterung die hochfrequenten Anteile der ersten Spannung (U1) ab einer Grenzfrequenz gefiltert werden, welche um eine Größenordnung höher liegt als die Grenzfrequenz für die Filterung hochfrequenter Anteile der zweiten Spannung (U2).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem durch das nicht-lineare Element (SL1, SL2) eine Bandpass-Filterung der erfassten ersten und/oder zweiten Spannung (U1, U2) erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Signalkonditionierung durch Software oder Hardware realisiert wird.
  10. Ladeeinheit (DCDC) zur Speisung eines Energiespeichers (ES2) eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs, das einen ersten Bordnetzzweig (BN1), an dem im Betrieb eine erste Spannung (U1) anliegt, und einen zweiten Bordnetzzweig (BN2), an dem im Betrieb eine zweite, höhere Span nung (U2) anliegt, umfasst, wobei die Ladeeinheit (DCDC) mit dem ersten und dem zweiten Bordnetzzweig (BN1, BN2) gekoppelt ist, wobei die Ladeeinheit (DCDC) dazu ausgebildet ist, – zur Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Ladeeinheit (DCDC) zumindest die erste und zweite Spannung (U1, U2) durch ein jeweiliges Messglied (HU1, HU2) zu erfassen, aus welchen ein Ladestrom (IDCDC) für den zweiten Energiespeicher (ES2) ermittelt und erzeugt wird; – die erfasste erste und/oder zweite Spannung (U1, U2) mit einem nicht-linearen Element (SL1, SL2), insbesondere einem Signalwertlimitierer, einem Hoch- und/oder Tiefpass oder einem Bandpass, derart zu konditionieren, dass die Ladeeinheit (DCDC) den zweiten Energiespeicher (ES2) bei Spannungsüberhöhungen der ersten Spannung (U1) unter erhöhter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig (BN1) und/oder bei Spannungseinbrüchen der ersten Spannung (U1) unter verringerter Energieentnahme aus dem ersten Bordnetzzweig (BN1) lädt.
  11. Vorrichtung zum Betrieb eines Energiebordnetzes eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs, umfassend: – einen ersten Bordnetzzweig (BN1), an dem im Betrieb eine erste Spannung (U1) anliegt, wobei an den ersten Bordnetzzweig (BN1) ein erster Energiespeicher (ES1), ein Generator (G) zur Speisung des ersten Energiespeichers (ES1) und zumindest ein erster Verbraucher (R1) angeschlossen sind; – einen zweiten Bordnetzweig (BN2), an dem im Betrieb eine zweite Spannung (U2) anliegt, die höher als die erste Spannung (U1) ist, wobei an den zweiten Bordnetzzweig (BN2) ein zweiter Energiespeicher (ES2), eine Ladeeinheit (DCDC) zur Speisung des zweiten Energiespeichers (ES1), die ferner mit dem ersten Bordnetzzweig (BN1) gekoppelt ist, und zumindest ein zweiter Verbraucher (R2) angeschlossen sind, wobei der erste und der zweite Energiespeicher (ES1, ES2) zur Erzeugung der zweiten Spannung (U2) seriell miteinander verschaltet sind; – eine Ladeeinheit (DCDC) nach Anspruch 10.
  12. Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Rechners geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf dem Rechner läuft.
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