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Die
Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem eines Fahrzeugs und
ein Verfahren zur Energieverteilung in einem Bordnetz. Dazu weist
das Energiemanagementsystem mindestens zwei Bordnetzkreise mit einem
Niedervoltenergiespeicher und einem Hochvoltenergiespeicher auf,
wobei der Niedervoltenergiespeicher ein niedrigeres Spannungsniveau
als der Hochvoltenergiespeicher besitzt. Ein Generator stellt eine
Gleichspannung bereit. Ein Steuergerät mit Schaltvorrichtungen
kann die Bordnetze von Energieentnahme auf Energiespeicherung und
umgekehrt schalten.
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Heutige
Energiebordnetze in Personenkraftfahrzeugen sind auf 12 V ausgelegt.
Alle elektrischen Verbraucher und Sensoren sind für diese
Spannung konzipiert. Dieser Spannungsbereich stellt bei der Mehrzahl
der Systeme ein Optimum zwischen Preis und Leistung dar. Für
die Energieversorgung sind als Hauptkomponenten der Generator und
die Bleisäurebatterie in Form eines Akkumulators zu nennen. Nachteilig
ist jedoch die Begrenzung der Spannung auf 12 V für die
Generatorleistung, die bei größeren Spannungen
wesentlich besser ausgelastet wäre. Weiter wird durch die
aktuelle CO2-Problematik über Möglichkeiten
diskutiert, Kraftstoff einzusparen.
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Funktionen
wie eine Start/Stopp-Automatik im Stadtverkehr vor Ampeln, Kreuzungen
und Schienenfahrzeugen sowie ein Laden der Batterie bei Schubbetrieb
sowie Wirkungsgradverbesserungen der elektrischen Energieversorgungskette
im Fahrzeug werden vermehrt in der technischen Entwicklung vorangetrieben.
Darüber hinaus besteht der Wunsch nach einer zusätzlichen
Span nungsversorgung mit einem höheren Spannungswert, um
hochohmige Verbraucher mit genügend Energie zu versorgen.
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Aus
der Druckschrift
DE
10 2005 039 045 A1 ist ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug
und ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs
bekannt. Dazu weist das Bordnetz für das Kraftfahrzeug
einen ersten Generator und einen zweiten Generator auf, wobei am
Ausgang des ersten Generators eine erste Spannung bereitgestellt und
am Ausgang des zweiten Generators eine zweite Spannung bereitgestellt
werden kann. Die zweite Spannung ist mindestens so groß wie
die erste Spannung, wobei die Amplitude der zweiten Spannung über
eine Steuervorrichtung, welche über eine Regelvorrichtung
mit dem zweiten Generator elektrisch verbunden ist, steuerbar ist.
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Der
Ausgang des zweiten Generators ist zum Anschluss eines DC/DC-Wandlers
einer Rekuperationsvorrichtung und eines einzigen Verbrauchers ausgelegt.
Der einzige Verbraucher zur Energieversorgung durch den zweiten
Generator ist mit dem Ausgang des zweiten Generators elektrisch koppelbar.
Dieses bedeutet einen beträchtlichen Kostenaufwand und
einen großen Raumbedarf, um zwei relativ schwere elektrische
Generatoren im Motorraum eines Fahrzeugs unterzubringen. Während der
DC/DC-Gleichspannungswandler aus Raum sparenden Leistungshalbleitern
darstellbar ist, somit weder vom Gewicht noch vom Raumbedarf die
Fahrzeugkosten in die Höhe treibt, ist es bei elektrischen Generatoren
nicht möglich, diese auf engstem Raum und Gewicht sparend
im Motorraum eines Fahrzeugs unterzubringen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Energiemanagementsystem eines Fahrzeugs
sowie ein Verfahren zur Energieverteilung in einem Bordnetz zu schaffen,
mit dem die Nachteile im Stand der Technik überwunden werden
können und eine deutlich höhere Spannung in einem
zweiten Bordnetzkreis zur Verfügung gestellt wird, um hochohmige
Verbraucher mit genügend Energie zu versorgen. Darüber
hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Energieverteilung
in einem Bordnetz mit mindestens zwei Bordnetzkreisen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Energiemanagementsystem eines Fahrzeugs und ein Verfahren zur Energieverteilung
in einem Bordnetz geschaffen. Dazu weist das Energiemanagementsystem
mindestens zwei Bordnetzkreise mit einem Niedervoltenergiespeicher
und einem Hochvoltenergiespeicher auf, wobei der Niedervoltenergiespeicher
ein niedrigeres Spannungsniveau als der Hochvoltenergiespeicher besitzt.
Ein Generator stellt eine Gleichspannung bereit. Ein Steuergerät
mit Schaltvorrichtungen kann die Bordnetze von Energieentnahme auf
Energiespeicherung und umgekehrt schalten. Dazu weist das Energiemanagementsystem
einen einzigen Generator auf, der beide Bordnetze versorgt. Eine
erste Schaltvorrichtung ist an ein Kondensatormodul als Hochvoltenergiespeicher
und eine zweite Schaltvorrichtung an einen Akkumulator als Niedervoltenergiespeicher
angeschlossen. Der Generator speist direkt den Hochvoltenergiespeicher
und über einen DC/DC-Wandler den Niedervoltenergiespeicher.
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Dieses
erfindungsgemäße Energiemanagementsystem hat den
Vorteil einer besseren Nutzung des Generators durch erhöhte
Generatorspannung. Ein Start/Stopp-Automatikbetrieb wird durch das Kondensatormodul
realisierbar, ohne den Bleisäureakkumulator durch den häufigen
Start/Stopp-Betrieb im Verkehr zu belasten. Darüber hinaus
hat dieses Energiemanagementsystem den Vorteil, dass ein Niedervoltbordnetz
beispielsweise von 12 V für Pkw und 24 V für Lkw
beibehalten wird, so dass auf dem Markt vorhandene Komponenten weiterhin
eingesetzt werden können.
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Darüber
hinaus werden Störungen in dem Niedervoltbordnetzkreis
durch den DC/DC-Wandler reduziert. Außerdem wird die Verfügbarkeit
des Akkumulators durch Reduktion der Lade- und Entladezyklen erhöht.
Ferner wird eine höhere Spannung durch den Hochvoltnetzkreis
mit dem zyklenfesten Kondensatormodul für Kurzzeitverbraucher
und für Anwendungen mit höherem Spannungsniveau
bereitgestellt. Diese Vorteile werden mit dem oben zitierten Stand
der Technik nicht erreicht, zumal der zweite Generator lediglich
der Rekuperation dient und nicht für hohe Strombelastungen
ausgelegt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es
vorgesehen, dass ein Starter des Fahrzeugs und der Generator Hochvoltkomponenten sind.
Dieses ermöglicht, die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs
insbesondere beim Starten zu erhöhen, zumal die Startvorrichtung
mit Startschloss und nachfolgenden Komponenten für höhere
Spannungen ausgelegt werden können. Als Hochvoltenergiespeicher
wird vorzugsweise ein Doppelschichtkondensator eingesetzt, der eine
hohe Speicherkapazität bei gleichzeitig hoher Spannungsfestigkeit
aufweist. Vorzugsweise wird der DC/DC-Wandler für ein Transferieren
der Energie von dem Hochspannungsniveau des Hochvoltenergiespeichers
in das Niederspannungsniveau des Niedervoltenergiespeichers ausgelegt.
Jedoch kann der DC/DC-Wandler auch als bidirektionale Komponente
eingerichtet werden und überschüssige Energie
im Niedervoltbordnetz zusätzlich auf Hochspannungsniveau
dann transferieren.
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Außerdem
ist es in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung vorgesehen, dass der DC/DC-Wandler zur Restenergienutzung des
Hochvoltkondensatormoduls einen Hochsetzsteller aufweist.
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Das
Steuergerät wirkt vorzugsweise mit unterschiedlichen Schaltelementen
zur Steuerung der Energieflüsse zwischen den Fahrzeugkomponenten zusammen.
Dabei können die Schaltelemente Leistungshalbleiterschaltungen
aufweisen, die eine Miniaturisierung in Gewicht und Raumbedarf gegenüber mechanischen
Relaisschaltelementen ermöglichen. Schließlich
ist es vorgesehen, den Hochvoltenergiespeicher als Rekuperator zu
betreiben, indem der Hochvoltenergiespeicher über den Generator
zusätzlich aufgeladen wird, wenn Energie aus verkehrsbedingten
Bremsvorgängen, verkehrsbedingten Geschwindigkeitsreduzierungen,
Leer- und Ausrollvorgängen, Gefällefahrten und/oder
Kühlvorgängen unter Antrieb des Generators für
den Hochvoltbordnetzkreis zur Speicherung zurück gewonnen
wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird über
die zwei oben erwähnten Schaltvorrichtungen eine dritte
Schaltvorrichtung vorgesehen, über die das Steuergerät
mit dem DC/DC-Wandler elektrisch in Verbindung steht. Schließlich
ist es vorgesehen, dass das Energiemanagementsystem eine vierte
Schaltvorrichtung aufweist, über die das Steuergerät
mit dem Generator elektrisch in Verbindung steht. Außerdem
ist es vorgesehen, dass das Energiemanagementsystem eine fünfte
Schaltvorrichtung aufweist, über die das Steuergerät
mit dem Starter elektrisch in Verbindung steht.
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Weiterhin
weist das Energiemanagementsystem Stromsensoren auf, um den Ladezustand
der Energiespeicher dem Steuergerät zu signalisieren. Der
Ladezustand wird üblicherweise durch eine Kombination aus
Strommessung und Spannungsmessung ermit telt. Über die Strommessung
mit Hilfe der Stromsensoren wird die genutzte und wieder geladene
Ladungsmenge aus einer Strom-Zeit-Kurve ermittelt. Als Referenz
bzw. zum Rekalibrieren des Hochvoltenergiespeichers und des Niedervoltenergiespeichers
kann der aus der Stromintegration berechnete Wert mit der Ladezustands-Spannungs-Relation
der Batterie bzw. des Kondensatormoduls verglichen werden. Da die
Ladungsbestimmung integrativ erfolgt, ist das Verfahren durch die
lange Zeit der Messung, in der gemessen wird, doch mit einer gewissen
Ungenauigkeit behaftet. Deshalb kann zusätzlich eine charakteristische
Ladezustands-Spannungs-Kurve im Auswertealgorithmus des Steuergerätes
hinterlegt werden. Durch den Vergleich der Werte kann der Ladezustand
für die einzelnen Speichersysteme auf der Hochvoltseite
und auf der Niedervoltseite mit einer zufrieden stellenden Genauigkeit
bestimmt werden.
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Ein
Verfahren zur Energieverteilung in einem Bordnetz, das mindestens
zwei Bordnetzkreise mit einem Niedervoltenergiespeicher und einem
Hochvoltenergiespeicher aufweist, wird durch folgende Verfahrensschritte
gekennzeichnet. Zunächst wird mittels eines Steuergerätes
der Energiefluss so optimiert, dass ein hoher Anteil an Verlustenergie
beim Betreiben eines Fahrzeugs zurück gewonnen wird. Darüber
hinaus werden zunächst Neustarts mit Hilfe des Niedervoltenergiespeichers
und eines Niedervoltanlassers durchgeführt. Schließlich
wird das Versorgen von sonstigen Verbrauchern des Fahrzeugs aus
dem Hochvoltbordnetzkreis sichergestellt.
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Darüber
hinaus erfolgt eine Rekuperation von Energie aus verkehrsbedingten
Bremsvorgängen, verkehrsbedingten Geschwindigkeitsreduzierungen,
Leer- und Ausrollvorgängen, Gefällefahrten und/oder
Kühlvorgängen unter Antrieb des Generators für
einen Hochvoltbordnetzkreis und unter Speicherung der gewonnenen
Energiereserven in dem Hochvoltenergiespeicher in Form eines Kondensatormoduls.
Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass die gespeicherte
Energie des Hochvoltenergiespeichers für verkehrsbedingte
Kurzstartvorgänge im Rahmen von verkehrsbedingten Start/Stopp-Prozessen
eingesetzt wird. Deshalb ist es von Vorteil, den Generator für
ein direktes Einspeisen in den Hochvoltbordnetzkreis auszulegen
und nur bei Bedarf über den DC/DC-Wandler im Bleisäureakkumulator mit
dem Niedervoltbordnetzkreis aufzuladen. Dazu wird der Ladezustand
der beiden Energiespeicher über Stromsensoren erfasst und
korrigiert, so dass das Steuergerät möglichst
die volle Ladekapazität des Niedervoltenergiespeichers
vorrangig auffüllt, um für einen Neustart genügend
Energie gespeichert zu haben.
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Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Prinzipskizze eines Energiemanagementsystems eines Fahrzeugs
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt
eine Tabelle 1 mit Beispielen der Zuordnung von Fahrzeugzuständen
zu damit verbundenen Schaltzuständen des Energiemanagementsystems
gemäß 1.
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1 zeigt
eine Prinzipskizze eines Energiemanagementsystems 1 eines
Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Dieses Energiemanagementsystem 1 wird mit
Hilfe eines Steuergerätes 7 gesteuert bzw. geregelt.
Das Energiemanagementsystem weist zwei Bordnetzkreise 2 und 3 auf,
wovon der Bordnetzkreis 2 ein Niedervoltbordnetzkreis ist
und der Bordnetzkreis 3 einen Hochvoltbordnetzkreis darstellt.
Dabei ist die Spannung des Niedervoltbordnetzkreises 2 deutlich
geringer als die Spannung im Hochvoltbordnetzkreis 3.
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Der
Niedervoltbordnetzkreis 2 arbeitet in dieser Ausführungsform
der Erfindung mit den herkömmlichen 12 V für Pkw
und verfügt über einen Akkumulator 14 als
Niedervoltenergiespeicher 4. Der Ladezustand des Akkumulators 14,
der ein standardmäßiger Blei-Schwefelsäureakkumulator
sein kann, wird über einen Stromsensor dem Steuergerät 7 signalisiert,
so dass bei Bedarf der Akkumulator 14 des Niedervoltbordnetzkreises
aufgeladen wird. Beide Bordnetzkreise 2 und 3 werden
von einem einzigen Generator 6 gespeist, der direkt einen
Hochvoltenergiespeicher 5 in Form eines Kondensatormoduls 13 versorgt
und über einen DC/DC-Wandler 15 den Niederdruckbordnetzkreis 2 versorgen
kann.
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Dabei
ist das Steuergerät 7 derart eingestellt, dass
bei vermindertem Ladezustand der beiden Energiespeicher 4 und 5 der
Niedervoltenergiespeicher 4 bevorzugt aufgeladen wird,
um die Batterie für einen Neustart in einem vollen Ladezustand
zu halten. Andererseits ist das Kondensatormodul 13 derart konzipiert,
dass es auch als Rekuperator dienen kann, wenn über den
Generator zusätzliche Energiereserven aus Verlustleistungen
des Fahrzeugs regeneriert werden. Dies gilt besonders für
den Schubbetrieb des Fahrzeugs, der beim Bremsen oder bei Geschwindigkeitsreduzierung
auftritt und für den Start/Stopp-Fall im städtischen
Straßenverkehr. Der Generator sorgt dafür, dass
eine hohe kurzfristig abrufbare Energie in dem Kondensatormodul
gespeichert ist, so dass bei Stopp/Start-Automatiken vor Ampeln
oder Vorfahrtsstraßen oder Schienenfahrzeugen das erneute
Hochfahren des Motors von der in dem Kondensatormodul 13 gespeicherten
Energie möglich ist, so dass dieses häufige Start/Stopp-Verhalten
nicht die Lebensdauer des Bleiakkumulators 14 belastet.
Die Lebensdauer dieses Akkumulators kann dadurch deutlich verbessert
werden.
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Auch
der Ladezustand des Kondensatormoduls 13 wird durch einen
Stromsensor 17 überwacht und dem Steuergerät 7 signalisiert,
so dass auf einen absinkenden Ladezustand des Kondensatormoduls 13 kurzfristig
durch das Steuergerät 7 reagiert werden kann.
Während über die Signalleitungen 19 und 20 dem
Steuergerät 7 die Ladezustände des Kondensatormoduls 13 bzw.
des Akkumulators 14 signalisiert werden, kann das Steuergerät 7 über
die Steuerleitungen 21, 22, 23 und 24 auf
entsprechende Schaltvorrichtungen 8 bis 12 einwirken,
um optimal die Schaltzustände der Schaltvorrichtungen 8 bis 12 auf
die Fahrzeugbetriebszustände abzustimmen. Dieses Zusammenwirken
wird mit 2 näher erläutert.
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2 zeigt
eine Tabelle 1 mit Beispielen der Zuordnung von Fahrzeugbetriebszuständen
zu damit verbundenen Schaltzuständen des Energiemanagementsystems
gemäß 1. In der äußerst
rechten Spalte sind dazu beispielhaft sechs Fahrzeugzustände
aufgelistet und in den ersten fünf Spalten sind die Schaltzustände
der Schaltvorrichtungen S1 bis S5 mit den Bezugszeichen 8 bis 12 näher
gekennzeichnet. Dabei bedeutet eine 0, dass die Schaltvorrichtung
in einer Offenstellung ist, und die Ziffer 1, dass die Schaltvorrichtung
in einer Schließstellung ist.
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Für
einen ersten Neustart des Fahrzeugs, der von dem Niedervoltschaltkreis 2 mit
12 V des Bleiakkumulators 14 versorgt wird, sind lediglich
die zweite Schaltvorrichtung S2 bzw. 9 und
die fünfte Schaltvorrichtung, die mit dem Starter zusammenwirkt,
geschlossen. Die Steuersignale für das Schließen
dieser beiden Schaltvorrichtungen erfolgt über die Steuerleitungen 22 und 25 in 1.
Dabei wird dem Bleiakkumulator 14 im Niedervoltbordnetzkreis 2 Energie
entzogen, so dass als Folge ein Laden des Bleisäureakkus
erforderlich wird.
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Dieses
Erfordernis wird über die Signalleitung 20 von
dem Stromsensor 18 der Steuereinrichtung 7 signalisiert.
Daraufhin erfolgt das Laden des Bleisäureakkus über
den DC/DC-Wandler 15, wofür die Schaltvorrichtungen
S3 und S4 in eine
Schließposition verfahren werden, während die übrigen
Schaltvorrichtungen eine Offenstellung einnehmen. Die Steuersignale
des Steuergerätes 7 werden dazu über
die Steuerleitungen 23 und 24 an die Schaltvorrichtung 10 des
DC/DC-Wandlers 15 und über die Steuerleitung 24 an
die Schaltvorrichtung 11 des Generators 6 übertragen.
Ist das Laden des Bleisäureakkumulators abgeschlossen und
der volle Ladezustand des Bleisäureakkumulators wieder
erreicht, kann nun bei laufendem Motor oder bei Rekuperationsvorgängen
der Generator das Kondensatormodul 13, das vorzugsweise
aus Doppelschichtkondensatoren besteht, aufladen, indem die Schaltvorrichtungen
S1 und S4 eine Schließstellung
einnehmen. Damit ist der Generator 6 über S1 und S4 direkt mit
dem Kondensatormodul elektrisch verbunden. Die übrigen
Schließvorrichtungen verharren bei diesem Fahrzeugzustand
in einer Offenstellung.
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Soll
erneut das Niedervoltbordnetz bei etwa 12 V (Volt) versorgt werden,
um den Niedervoltenergiespeicher nachzuladen, so kann dieses mit
Hilfe des durch den Motor angetriebenen Generators 6 erfolgen,
indem die Schaltvorrichtung S4 des Generators
in eine Schließstellung übergeht und dazu die Schaltvorrichtung
S3 des DC/DC-Wandlers 15 eine Schließstellung
aufweist und schließlich die Schaltvorrichtung S1 des Hochvoltenergiespeichers eine Schließstellung
einnimmt, da aus diesem Energievorrat der 12 V Bordnetzkreis über
den DC/DC-Wandler versorgt werden kann.
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Bei
einem Stopp werden die Schaltvorrichtungen S2 bis
S5 in eine Offenposition verfahren und es
wird lediglich über die Steuerleitung 21 die erste Schaltvorrichtung
S1 in eine Schließposition gebracht.
Schließlich werden zum wieder Starten, dem in der Tabelle
1 gezeigten sechsten Fahrzustand, sowohl die Schaltvorrichtung S1 des Kondensatormoduls 13 als auch
die Schaltvorrichtung S5 des Starters für
einen Kurzstart in eine Schließposition gebracht, während
die übrigen Schaltvorrichtungen S2,
S3 und S4 in einer
Offenposition verharren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005039045
A1 [0004]