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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben des Bordnetzes.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden hohe Anforderungen an ein elektrisches Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher gestellt, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, die in der Lage sind, Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs, beispielsweise im Rahmen eines Bremsvorgangs, in elektrische Energie umzuwandeln und dem Energiespeicher zurückzuführen.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Bordnetz zu schaffen, das eine lange Betriebsdauer ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben des Bordnetzes zu schaffen, das bzw. die einen langen Betrieb des Bordnetzes ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug angegeben, umfassend einen Energiespeicher mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Der zweite Anschluss ist mit einem Bezugspotential elektrisch gekoppelt. Das Bordnetz weist eine Spannungsquelle auf, die mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers elektrisch gekoppelt ist und die ausgebildet ist, eine vorgegebene erste Spannung und eine vorgegebene zweite Spannung bereitzustellen, wobei die zweite Spannung eine Regenerationsspannung des Energiespeichers repräsentiert und betragsmäßig größer ist als die erste Spannung. Des Weiteren umfasst das Bordnetz eine Entkopplungseinheit mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss. Der Eingangsanschluss ist mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers elektrisch gekoppelt und der Ausgangsanschluss ist mit zumindest einem ersten elektrischen Verbraucher elektrisch koppelbar. Die Entkoppelungseinheit umfasst einen Spannungswandler, der eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss und ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluss elektrisch gekoppelt ist. Die Entkoppelungseinheit weist auch ein zu dem Spannungswandler elektrisch parallel gekoppeltes Schaltelement auf. Der Spannungswandler und das Schaltelement sind ausgebildet, in einer ersten Schaltstellung des Schaltelementes und einem Anliegen der zweiten Spannung am Eingangsanschluss in etwa die erste Spannung am Ausgangsanschluss bereitzustellen. Andernfalls sind der Spannungswandler und das Schaltelement ausgebildet, in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelementes und einem Anliegen der ersten Spannung am Eingangsanschluss in etwa die erste Spannung am Ausgangsanschluss bereitzustellen.
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Ein derartiges Bordnetz ermöglicht eine lange Betriebsdauer des Energiespeichers. Insbesondere kann durch die Bereitstellung der zweiten Spannung der Energiespeicher regeneriert werden. Ist der Energiespeicher beispielsweise als Bleiakkumulator ausgebildet, so ist ein Wert der zweiten Spannung derart vorgegeben, dass durch das Anlegen der zweiten Spannung beispielsweise eine Entsulfatierung des Energiespeichers erreicht werden kann. Mittels der Regeneration kann eine aus einer Sulfatierung resultierende unerwünschte Bleisulfat-Kristallisation an Elektroden des Energiespeichers zumindest teilweise rückgängig gemacht werden, wodurch eine ursprüngliche Kapazität des Energiespeichers zumindest teilweise wiederhergestellt werden kann.
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Die erste Spannung und die zweite Spannung werden vorzugsweise jeweils als Gleichspannungen von der Spannungsquelle bereitgestellt. Die zweite Spannung entspricht vorzugsweise einer Regenerationsspannung des Energiespeichers und weist einen Wert auf, der betragsmäßig größer ist, als eine Spannung, die von dem Energiespeicher bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise ist die erste Spannung in etwa gleich zu der Spannung, die von dem Energiespeicher bereitgestellt werden kann. Die zweite Spannung weist einen Wert auf, der am Rande oder außerhalb eines für den zumindest einen ersten elektrischen Verbrauchers zulässigen Spannungsbereiches liegt. Das Anlegen der zweiten Spannung an den elektrischen Verbraucher kann somit gegebenenfalls zu einer Schädigung des zumindest einen ersten elektrischen Verbrauchers führen.
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Der Spannungswandler ist ausgebildet, die zweite Spannung an seinem Eingang in die erste Spannung an seinem Ausgang umzuwandeln. Dadurch ist der zumindest eine erste elektrische Verbraucher auch während des Regenerationsbetriebes mit der ersten Spannung beaufschlagbar. Der Spannungswandler kann beispielsweise als Spannungsregler, so z.B. als Linearregler, ausgebildet sein. Der Spannungswandler kann beispielsweise auch eine Diode oder mehrere elektrisch in Reihe gekoppelte Dioden umfassen, über die ein den Dioden zugeordneter Spannungsabfall vorgebbar ist, um den die zweite Spannung reduziert wird. Der Spannungswandler und das Schaltelement können auch ausgebildet sein, in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes und einem Anliegen der zweiten Spannung, so z.B. zwischen 15 V und 20 V, am Eingangsanschluss einen vorgegebenen Spannungsabfall, so z.B. mindestens 0,5 V, zu erzeugen, um den die zweite Spannung verringert wird, um in etwa die erste Spannung am Ausgangsanschluss bereitzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist das Bordnetz so ausgebildet, dass zumindest ein zweiter elektrischer Verbraucher mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers elektrisch koppelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass ein zum Betreiben des zumindest einen zweiten elektrischen Verbrauchers erforderlicher Strom nicht über die Entkoppelungseinheit geführt werden muss, so dass hieraus eine nur geringe Verlustleistung des Spannungswandlers resultiert.
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Gemäß einem zweiten und dritten Aspekt werden ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben eines Bordnetzes gemäß dem ersten Aspekt angegeben, bei dem zumindest ein vorgegebener Betriebszustand des Kraftfahrzeugs und/oder ein zu regenerierender Zustand des Energiespeichers ermittelt wird. Abhängig von dem zumindest einen ermittelten Betriebszustand und/oder von dem ermittelten zu regenerierenden Zustand des Energiespeichers wird entschieden, ob ein Regenerationsbetrieb ausgeführt wird, in dem das Schaltelement in die erste Schaltstellung gesteuert wird. Ferner wird in dem Regenerationsbetrieb ein Betrieb der Spannungsquelle derart vorgegeben, dass diese die zweite Spannung für eine vorgegebene Zeitdauer bereitstellt. In dem Regenerationsbetrieb wird auch ein Betrieb des Spannungswandlers derart vorgegeben, dass dieser in etwa die erste Spannung an dem Ausgangsanschluss bereitstellt. Außerhalb des Regenerationsbetriebs wird der Betrieb der Spannungsquelle derart vorgegeben, dass diese die erste Spannung bereitstellt, und das Schaltelement wird in die zweite Schaltstellung gesteuert, um den Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss niederohmig zu koppeln.
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Ein derartiger Betrieb des Bordnetzes ermöglicht eine lange Betriebsdauer des Energiespeichers. Ein Betriebszustand des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise durch eine hohe Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs repräsentiert werden.
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Der zu regenerierende Zustand des Energiespeichers repräsentiert eine bereits eingeschränkte Funktion des Energiespeichers, so z.B. eine verminderte maximale Kapazität. Um eine weitere Funktionseinschränkung zu verhindern und einen zuverlässigen Betrieb des Bordnetzes weiterhin gewährleisten zu können, kann der Regenerationsbetrieb ausgeführt werden. Der zu regenerierende Zustand des Energiespeichers kann beispielsweise mittels eines sogenannten Batteriesensors ermittelt werden. Grundsätzlich kann der Regenerationsbetrieb auch unabhängig von dem zu regenerierenden Zustand erfolgen, so z.B. vorbeugend zur Verhinderung einer Funktionseinschränkung. Der Regenerationsbetrieb kann beispielsweise periodisch vorgegeben werden und pro Periode für jeweils eine vorgegebene Zeitdauer.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten und dritten Aspekts, wird eine Energierückspeisung einer elektrischen Energie detektiert, die von der Energierückgewinnungseinrichtung bereitgestellt wird. Abhängig von der Detektierung wird entschieden, ob der Regenerationsbetrieb vorgegeben wird. Dazu ist es zweckmäßig, wenn dem Bordnetz eine Energierückgewinnungseinrichtung zugeordnet ist, durch die während einer sogenannten Rekuperationsphase, so z.B. während des Bremsvorgangs, eine Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten und dritten Aspekts, wird eine Leistungsaufnahme des zumindest einen ersten elektrischen Verbrauchers erfasst und die erfasste Leistungsaufnahme mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Abhängig von dem Vergleich wird entschieden, ob der Regenerationsbetrieb ausgeführt wird. Vorzugsweise wird der Regenerationsbetrieb ausgeführt, wenn die Leistungsaufnahme kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert, da dadurch ein Strom, der über die Entkoppelungseinheit fließt, reduziert ist. Dies ermöglicht einen verlustleistungsreduzierten Betrieb des Bordnetzes, insbesondere des Spannungswandlers.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten und dritten Aspekts werden Navigationsdaten ermittelt, die von dem Navigationssystem bereitgestellt werden. Abhängig von den Navigationsdaten wird entschieden, ob der Regenerationsbetrieb ausgeführt wird. Dazu umfasst das Kraftfahrzeug vorzugsweise ein Navigationssystem, das ausgebildet ist, eine aktuelle Position des Kraftfahrzeugs zu ermitteln und gegebenenfalls mit einer vorgegebenen Fahrtroute zu vergleichen. Das Navigationssystem kann beispielsweise die Navigationsdaten bereitstellen. Die Navigationsdaten ermöglichen eine Vorhersage von beispielweise erforderlichen Bremsvorgängen entlang der vorgegebenen Route, die dann als Rekuperationsphasen genutzt werden können, in denen der Regenerationsbetrieb vorgebbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eines Bordnetzes,
- 2 eine Darstellung einer Entkoppelungseinheit,
- 3 ein Ablaufdiagramm.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher ES, einer Spannungsquelle V, einer Entkoppelungseinheit CRM und zumindest einem ersten elektrischen Verbraucher L1.
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Der Energiespeicher ES umfasst einen ersten Anschluss K+ und einen zweiten Anschluss K- und ist beispielsweise als Bleiakkumulator ausgebildet.
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Die Spannungsquelle V umfasst vorzugsweise einen Generator G, so z.B. eine Lichtmaschine oder einen Starter-Generator. Die Spannungsquelle V ist zwischen dem ersten Anschluss K+ des Energiespeichers ES und einem Bezugspotential GND, so z.B. einem Massepotential des Kraftfahrzeugs, elektrisch gekoppelt angeordnet und ausgebildet, eine erste Spannung V1 und eine zweite Spannung V2 bereitzustellen. Die zweite Spannung V2 repräsentiert dabei vorzugsweise eine Regenerationsspannung des Energiespeichers ES und weist beispielsweise einen Wert zwischen 15 V und 20 V auf. Die erste Spannung V1, so z.B. 14 V, wird vorzugsweise während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs bereitgestellt zum Laden des Energiespeichers ES und/oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher im Bordnetz. Vorzugsweise ist ein Wert der ersten Spannung V1 in etwa gleich zu einem Wert einer von dem Energiespeicher ES bereitgestellten Spannung.
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Die Entkoppelungseinheit CRM umfasst einen Eingangsanschluss T1 und einen Ausgangsanschluss T2. Der zumindest eine erste elektrische Verbraucher L1 ist zwischen dem Ausgangsanschluss T2 und dem Bezugspotential GND elektrisch koppelbar angeordnet. Der Eingangsanschluss T1 ist mit dem ersten Anschluss K+ des Energiespeichers ES elektrisch gekoppelt.
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Die Entkoppelungseinheit CRM umfasst einen Spannungswandler VC, der elektrisch zwischen dem Eingangsanschluss T1 und Ausgangsanschluss T2 der Entkoppelungseinheit CRM angeordnet ist (2). Ein Schaltelement SW ist elektrisch parallel zu dem Spannungswandler VC angeordnet und ist beispielsweise als Halbleiterelement ausgebildet, so z.B. als Transistor. In einer ersten Schaltstellung ist das Schaltelement SW ausgeschaltet und somit hochohmig geschaltet und der Eingangs- und Ausgangsanschluss T1, T2 werden über den Spannungswandler VC miteinander elektrisch gekoppelt. In einer zweiten Schaltstellung ist das Schaltelement SW eingeschaltet und koppelt den Eingangsanschluss T1 niederohmig mit dem Ausgangsanschluss T2. Die Entkoppelungseinheit CRM kann beispielsweise eine Komponente einer Energiemanagementeinheit des Kraftfahrzeugs sein, die beispielsweise einem Motorsteuergerät zugeordnet ist.
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Der Spannungswandler VC umfasst zwei elektrisch in Reihe gekoppelte Dioden D1, D2. Liegt die zweite Spannung V2 an dem Eingangsanschluss V2 an, so fällt in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes SW über den beiden Dioden D1, D2 eine vorgegebene Spannung ab, so z.B. 1,4 V. Die zweite Spannung V2 wird um diesen vorgegebenen Spannungsabfall reduziert, woraus dann in etwa die erste Spannung V1 am Ausgangsanschluss T2 der Entkoppelungseinheit CRM resultiert. Die Entkoppelungseinheit CRM ist somit ausgebildet, ausgangsseitig an dem Ausgangsanschluss T2 in etwa die erste Spannung V1 dem zumindest einen ersten elektrischen Verbraucher L1 zur Verfügung zu stellen und diesen von der zweiten Spannung V2 zu entkoppeln.
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In 3 ist ein Verfahren zum Betreiben des Bordnetzes als Ablaufdiagramm dargestellt. Das Verfahren wird beispielsweise als Programm in der Energiemanagementeinheit des Kraftfahrzeugs ausgeführt. Die Energiemanagementeinheit kann auch als Vorrichtung zum Betreiben des Bordnetzes bezeichnet werden.
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Das Programm wird in einem Schritt S0 gestartet. In einem Schritt S2 wird zumindest ein Betriebszustand SoO des Kraftfahrzeugs ermittelt, der beispielsweise durch die aktuelle Geschwindigkeit repräsentiert wird. Ferner kann das Kraftfahrzeug eine Energierückgewinnungseinrichtung umfassen, die beispielsweise den Generator G der Spannungsquelle V während einer Rekuperationsphase betreibt. Darüber hinaus kann eine Leistungsaufnahme des zumindest einen ersten elektrischen Verbrauchers L1 ermittelt werden. Das Kraftfahrzeug kann auch ein Navigationssystem umfassen, das ausgebildet ist, Navigationsdaten beispielsweise der Energiemanagementeinheit zur Verfügung zu stellen.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zu regenerierender Zustand des Energiespeichers ES ermittelt werden. Dazu kann dem Energiespeicher ES ein Batteriesensor zugeordnet sein, der ausgebildet ist, beispielsweise eine Klemmenspannung, einen Strom, eine Ruhespannung, eine Temperatur und/oder ein Startspannungseinbruch des Energiespeichers zu erfassen. Anhand dieser Parameter kann der zu regenerierende Zustand, beispielsweise auch mittels des Batteriesensors, ermittelt werden.
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In einem Schritt S4 wird der zumindest eine Betriebszustand des Kraftfahrzeugs und/oder der zu regenerierende Zustand des Energiespeichers ES ausgewertet und entschieden, ob ein Regenerationsbetrieb in dem Schritt S6 ausgeführt wird. Dazu wird beispielsweise in dem Schritt S4 ermittelt, ob eine hohe Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, so z.B. 100 km/h, und/oder ob eine Rekuperationsphase vorliegt. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der Navigationsdaten auch eine Vorhersage der Rekuperationsphasen erfolgen, so kann z.B. anhand der Navigationsdaten festgestellt werden, ob und in etwa wann entlang der vorgegebenen Route Bremsvorgänge des Kraftfahrzeugs erforderlich sein können, so z.B. an Kreuzungen, Ampeln, Ortseinfahrten, oder höhere Geschwindigkeiten möglich sind. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Schritt S4 auch ermittelt werden, ob eine niedrige Leistungsaufnahme des zumindest einen ersten Verbrauchers L1 vorliegt, damit eine Verlustleistung des Spannungswandlers VC gering ist. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Schritt S4 ermittelt werden, ob der zu regenerierende Zustand des Energiespeichers ES vorliegt.
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Ist eine oder sind mehrere Bedingungen in dem Schritt S4 erfüllt, wird in dem Schritt S6 das Schaltelement SW in die erste Schaltstellung gesteuert. In etwa zeitgleich wird ein Betrieb der Spannungsquelle V derart vorgegeben, dass diese die zweite Spannung V2 bereitstellt, so z.B. durch Erhöhung eines Erregerstroms für den Generator G. Die Bereitstellung der zweiten Spannung V2 kann beispielsweise für eine vorgegebene Zeitdauer erfolgen. Die bereitgestellte zweite Spannung V2 wird mittels des Spannungswandlers VC derart gewandelt, dass am Ausgangsanschluss T2 in etwa die erste Spannung V1 zur Verfügung steht.
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Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer oder bei mehreren oder nur einer nicht erfüllten Bedingung in dem Schritt S4 wird in einem Schritt S8 der Betrieb der Spannungsquelle V derart vorgegeben, dass diese die erste Spannung V1 bereitstellt. In etwa zeitgleich wird das Schaltelement SW in die zweite Schaltstellung gesteuert und der Einganganschluss T1 niederohmig mit dem Ausgangsanschluss T2 gekoppelt. Dadurch wird am Ausgangsanschluss T2 in etwa die erste Spannung V1 dem zumindest einen ersten elektrischen Verbraucher L1 bereitgestellt.
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In einem Schritt S10 wird das Programm beendet oder alternativ in dem Schritt S2 erneut ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- CRM
- Entkoppelungseinheit
- D1, D2
- Dioden
- ES
- Energiespeicher
- G
- Generator
- GND
- Bezugspotential
- L1
- erster elektrischer Verbraucher
- L2
- zweiter elektrischer Verbraucher
- SW
- Schaltelement
- T1
- Eingangsanschluss
- T2
- Ausgangsanschluss
- VC
- Spannungswandler
- V1
- erste Spannung
- V2
- zweite Spannung
