DE102010008956A1

DE102010008956A1 - Schaltungsanordnung für eine Bordnetzstruktur von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102010008956A1
Application number: DE102010008956A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. 98693 Petzoldt; Uwe Dr.-Ing. 98693 Rädel; Klaus Univ.-Prof. Dr.-Ing. 99310 Augsburg; Kristian 01279 Höpping
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für eine neuartige Bordnetzstruktur von Kraftfahrzeugen bereitzustellen, mit der u. a. eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) im Kraftfahrzeug realisiert werden kann. Erfindungsgemäß werden dezentrale elektrische Fahrzeugeinheiten (FE) in zumindest einer Reihenschaltung (RS) (Ringleitung) zusammengeschaltet und von jeweils einer oder mehreren steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) versorgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Bordnetzstruktur von Kraftfahrzeugen unter Verwendung von Stromrichtern, stromrichtergespeisten Komponenten bzw. Einheiten wie Generatoreinheiten und Fahrantrieben, von Batterien und/oder Kondensatorspeichereinheiten, von Schaltungen zur magnetischen Resonanzkopplung und von Redundanzumschalteinheiten.
Bisherige Bordnetze besitzen meist eine gemeinsame Spannungsebene von z. B. 12 V und eine sternenförmige oder baumartige Verteilung des Potentials vom Generator oder der Fahrzeugbatterie zu den Verbrauchern, wobei als Nullpotential für die Rückleitung des Stromes oft das Chassis des Fahrzeuges genutzt wird. Dabei werden alle Verbraucher mit einer Spannung von 12 V betrieben, wobei sich je nach Leistung ein unterschiedlicher Anschlussstrom ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für eine neuartige Bordnetzstruktur von Kraftfahrzeugen bereitzustellen, mit der u. a. eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) im Kraftfahrzeug realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
2 – prinzipieller Aufbau einer dezentralen Fahrzeugeinheit (FE)
3 – prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen Bordnetzstruktur
4 – detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
5 – Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß vorteilhaft ausgestalteten Koaxialkabels
6 – Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß vorteilhaft ausgestalteten Kabels
7 – Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß vorteilhaft ausgestalteten Koaxialkabels
8 – Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß vorteilhaft ausgestalteten Kabels
Wie in 1 dargestellt werden bei der erfindungsgemäßen Bordnetzstruktur die dezentralen elektrischen Fahrzeugeinheiten (FE), die sowohl Verbraucher wie Licht- und Klimaeinheiten, elektrische Dämpfung (als Ersatz für mechanische Federdämpfer), Infotainment usw. wie auch rückspeisefähige Fahrantriebe und Batterie- und/oder Kondensatorspeichereinheiten enthalten können, und die steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) in einer Reihenschaltung (RS) von einem gemeinsamen Strom (I) durchflossen. Je nach aktueller Leistung ergibt sich für die jeweiligen dezentralen Fahrzeugeinheiten (FE) eine zugehörige Spannung. Es liegt selbstverständlich auch im Bereich der Erfindung, dass die neue Bordnetzstruktur mehrere dieser Reihenschaltungen (RS) oder Ringleitungen umfasst.
Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) im Kraftfahrzeug wird erfindungsgemäß das Chassis nicht als Masse bzw. Rückleiter genutzt, sondern ein eigener Rückleiter verwendet. Dazu kann z. B. wie in 4 dargestellt, der Hin- und Rückleiter einer jeden Reihenschaltung (RS) als ein Koaxialkabel (KK) derart ausgeführt sein, dass der Außenleiter (AL) eines jeden Koaxialkabels (KK) an den Fahrzeugeinheiten (FE) unterbrochen und durch die Fahrzeugeinheit (FE) geschleift wird, so dass die von der Fahrzeugeinheit (FE) jeweils benötigte Spannung über die Unterbrechung des Außenleiters (AL) abfällt. Die Rückleitung der Reihenschaltung (RS) zur steuerbaren Strom- und/oder Spannungsquelle (SSQ) geschieht über einen gemeinsamen Innenleiter (IL).
In den 5 bis 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der im Bordnetz des Kraftfahrzeuges verwendeten Koaxialkabel (KK) und Kabel (K) dargestellt. Erfindungsgemäß soll die Einführung einer schwach leitenden Schicht (SLS) an der Isolation von den im Bordnetz genutzten Kabeln zur Verbesserung der EMV beitragen. Diese schwach leitende Schicht (SLS) ergibt einen ohmschen Widerstand in Reihe zur Koppelkapazität der Kabel (K) und soll erfindungsgemäß so bemessen sein, dass der Schwingkreis, der im Kabel aus Leistungsinduktivität und der Koppelkapazität gebildet wird, dem aperiodischen Grenzfall entspricht oder zumindest nahe. kommt. Die schwach leitende Schicht (SLS) kann sich dabei in einem einfachen Kabel (K) zwischen Leiter (IL) und der Isolation (IS), in einem Koaxialkabel (KK) neben der Isolation (IS) zwischen Innenleiter (IL) und Außenleiter (AL) und bei Kabeln (K) oder Koaxialkabeln (KK) mit Schirmung neben der Isolation (IS) zwischen Schirmung und Leiter (IL) bzw. Schirmung und Außenleiter (AL) befinden. Die Schirmung ist eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der EMV. Die Schirmung soll einseitig mit der Fahrzeugmasse verbunden sein.
Wie in 2 dargestellt enthält die dezentrale Fahrzeugeinheit (FE) einen Eingangsstromrichter (ESR), der aus dem eingeprägten Strom (I) einer Reihenschaltung (RS) oder Ringleitung eine erste Gleichspannung I (UdcI) erzeugt, deren Höhe von der aufzunehmenden Leistung der Fahrzeugeinheit und deren Drehzahl bestimmt wird. Weiterhin ist eine zweite Gleichspannung (UdcII) über einen Speicherstromrichter (SSR) an die erste (UdcI) angekoppelt, so dass sie eine Spannungshöhe aufweist, die einer angeschlossenen Batterie und/oder Kondensatorspeichereinheit entspricht. Die erste Gleichspannung (UdcI) ist vorzugsweise über einen Stromrichter eine Fahrzeugantriebseinheit angeschlossen. Die zweite Gleichspannung (UdcII) mit annähernd konstanter Spannung speist jeweils über Stromrichter eine elektrische Lenkung, Licht- und Klimaeinheiten und weitere Fahrzeugverbraucher. Die Batterie- und/oder Kondensatorspeichereinheit besteht dabei aus der Reihenschaltung von Speicher- bzw. Batteriezellen und Stromrichterzellen (SSZ1...SSZn).
In 3 ist der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Bordnetzstruktur dargestellt. Die steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) sind dabei entweder direkt mit stromrichtergespeisten Generatoreinheiten (GE) verbunden oder über eine Schaltungsanordnung zur magnetischen Resonanzkopplung sind alle stromrichtergespeisten Generatoreinheiten (GE) mit allen steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) potentialgetrennt gekoppelt. Die Generatoreinheiten (GE) können dabei über hochtourige Gasturbinen angetrieben werden. Im Falle der Potentialtrennung sind alle Reihenschaltungen (RS) (Ringleitungen) mit einer schnellen Fehlerstromüberwachung ausgerüstet.
Zwei oder mehr einzelne Reihenschaltungen (RS) (Ringleitungen) können weiterhin mit einer Redundanzumschaltung versehen werden, die im Fehlerfall bewirkt, dass alle Reihenschaltungen (RS) (Ringleitungen) als eine gemeinsame Reihenschaltung betrieben werden können. Schließlich können im Fehlerfall die Stromrichtereinheiten der steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) den Leitungsschutz durch schnelles Abschalten übernehmen, so dass Sicherungen für den Überlastschutz entfallen.

Claims

Schaltungsanordnung für eine Bordnetzstruktur von Kraftfahrzeugen bestehend aus dezentralen elektrischen Fahrzeugeinheiten (FE) und steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) dadurch gekennzeichnet, dass die dezentralen elektrischen Fahrzeugeinheiten (FE) in zumindest einer Reihenschaltung (RS) (Ringleitung) zusammengeschaltet sind und von jeweils einer oder mehreren steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) versorgt und von einem gemeinsamen steuerbaren Strom (I) durchflossen werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine dezentrale elektrische Fahrzeugeinheit (FE) eine erste Gleichspannung I (UdcI) aufweist, an die der Fahrantrieb angeschlossen ist, und deren Höhe vorzugsweise von der Drehzahl des Fahrantriebes bestimmt wird, und eine zweite Gleichspannung II (UdcII) aufweist, an die eine Batterie- und/oder Kondensatorspeichereinheit (SSZ1...SSZn) sowie weitere stromrichtergespeiste Verbraucher angeschlossen sind, und deren Höhe von der Batterie- und/oder Kondensatorspeichereinheit (SSZ1...SSZn) bestimmt wird, wobei die Gleichspannung I (UdcI) über einen Eingangsstromrichter (ESR) der Fahrzeugeinheit (FE) und die Gleichspannung II (UdcII) über einen Speicherstromrichter (SSR) der Fahrzeugeinheit (FE) einstellbar sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) direkt mit mindestens einer stromrichtergespeisten Generatoreinheit (GE), die über eine vorzugsweise hochtourige Gasturbine betrieben wird, gekoppelt und/oder über eine Schaltungsanordnung der magnetischen Resonanzkopplung zweier oder mehrerer Gleichstromkreise verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass alle stromrichtergespeisten Generatoreinheiten (GE) und alle über die steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) angeschlossenen Reihenschaltungen (RS) (Ringleitungen), die durch die Resonanzkopplung eine Potentialtrennung aufweisen, mit einer schnellen Fehlerstromüberwachung gegenüber der Fahrzeugmasse versehen sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Reihenschaltungen (RS) (Ringleitungen) über eine Redundanzumschaltung miteinander verbunden sind, so dass mehrere Reihenschaltungen (RS) (Ringleitungen) als eine gemeinsame Reihenschaltung betrieben werden können.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des Leitungsschutzes in jeder Reihenschaltung (RS) die steuerbaren Strom- oder Spannungsquellen (SSQ) mit Hilfe der Stromrichtereinheiten abschaltbar sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung (RS) (Ringleitung) ein Koaxialkabel (KK) umfasst, dessen Außenleiter (AL) in die dezentralen elektrischen Fahrzeugeinheiten (FE) eingeschleift wird und dessen Innenleiter (IL) ohne Unterbrechung den Rückleiter bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Koaxialkabel (KK) zwischen Innen- (IL) und Außenleiter (AL) neben einer Isolationsschicht (IS) eine schwach leitende Schicht (SLS) zur Einstellung eines definierten, vorzugsweise eines dem aperiodischen Grenzfall entsprechenden Dämpfungsverhalten aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für das Bordnetz Kabel (K) verwendet werden, deren Isolationsschicht (IS) durch eine schwach leitende Schicht (SLS) zur Einstellung eines definierten, vorzugsweise eines dem aperiodischen Grenzfall entsprechenden Dämpfungsverhalten ergänzt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (K) oder Koaxialkabel (KK) eine mit Fahrzeugmasse verbundene leitfähige Schirmung aufweisen.