DE102010021402A1 - Electrical system for motor car, has reverse polarity protection device connected in series to energy storage unit and formed to prevent current flow due to battery attached with wrong polarity to electrical system - Google Patents

Electrical system for motor car, has reverse polarity protection device connected in series to energy storage unit and formed to prevent current flow due to battery attached with wrong polarity to electrical system Download PDF

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Dipl.-Ing. Pfaller Stefan
Andreas Gaßner
Martin Dehm
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HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN FH INGOLSTADT
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Abstract

The system (10) has a switching unit (22) coupling a positive terminal (34) of an energy storage unit (32) to a battery (16) in one switching state and a negative terminal (36) of the energy storage unit with an electrical load (30) in another switching state. A control device (46) switches a switching unit between the two switching states. A reverse polarity protection device (33) is connected in series to the energy storage unit and formed to prevent current flow due to the battery attached with wrong polarity to the electrical system. An independent claim is also included for a method for operating an electric load in an electrical system of a motor car.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Das Bordnetz umfasst eine Fahrzeugbatterie, einen elektrischen Verbraucher sowie einen Energiespeicher mit einem positiven und einem negativen Anschluss. Es sind Schaltmittel bereitgestellt, die in einem ersten Schaltzustand den positiven Anschluss des Energiespeichers mit der Fahrzeugbatterie und den negativen Anschluss des Energiespeichers mit dem elektrischen Verbraucher koppeln und in zumindest einen von dem ersten Schaltzustand verschiedenen weiteren Schaltzustand verbracht werden können. Eine Steuereinrichtung kann die Schaltmittel zwischen dem ersten und dem weiteren Schaltzustand schalten. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle. The electrical system includes a vehicle battery, an electrical consumer and an energy storage with a positive and a negative connection. Switching means are provided which, in a first switching state, couple the positive terminal of the energy accumulator to the vehicle battery and the negative terminal of the energy accumulator to the electrical consumer and can be brought into at least one further switching state different from the first switching state. A control device can switch the switching means between the first and the further switching state. The invention also relates to a motor vehicle having such a vehicle electrical system and to a method for operating an electrical consumer in a vehicle electrical system of a motor vehicle.

In Kraftfahrzeugen werden heutzutage zunehmend elektrische Verbraucher eingesetzt, die hohe Leistungen verbrauchen. Solche elektrischen Verbraucher werden als Ersatz für mechanische oder hydraulische Systeme verwendet, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch bei verbesserter Funktionalität zu erreichen. Es geht hier im Wesentlichen um Elektromotoren, die zum Beispiel für die Lenkung oder auch in einem Bremssystem (zum Beispiel dem ESP, dem ”Elektronischen Stabilitätsprogramm”) eingesetzt werden. Die Stromaufnahme dieser elektrischen Verbraucher ist nicht konstant, da diese nur bei Bedarf eingeschaltet werden. Auch ein Starter für eine Brennkraftmaschine stellt einen solchen elektrischen Verbraucher dar, dessen Stromaufnahme sehr hohe Schwankungen aufweist, nämlich abhängig von der Drehzahl.In motor vehicles, electrical consumers are increasingly being used today that consume high power. Such electrical loads are used as a replacement for mechanical or hydraulic systems to achieve lower fuel consumption with improved functionality. It is essentially about electric motors, which are used for example for the steering or in a braking system (for example, the ESP, the "Electronic Stability Program"). The current consumption of these electrical consumers is not constant, as they are turned on only when needed. Also, a starter for an internal combustion engine is such an electrical load whose current consumption has very high fluctuations, namely depending on the speed.

Das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs besteht im einfachsten Fall aus einer Fahrzeugbatterie, einem Generator und einer Vielzahl von Energieverbrauchern. Bei laufendem Motor stellt der Generator elektrische Spannung bereit, mit welcher die Verbraucher versorgt und die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden können. Auch kann die vom Generator abgegebene Leistung durch eine Regelung an den jeweils augenblicklichen Strombedarf der elektrischen Verbraucher angepasst werden. Jedoch belasten die neuartigen elektrischen Verbraucher das Bordnetz mit hohen pulsförmigen Strömen. Derzeit eingesetzte Generatoren sind zu träge, um diese pulsförmigen Ströme bereitzustellen bzw. die Spannung schnell zu erhöhen oder zu erniedrigen. Die Bordnetzspannung wird daher hauptsächlich durch die Fahrzeugbatterie stabilisiert, und die Stabilität der Bordnetzspannung wird durch den Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie bestimmt. Bei den hohen pulsförmigen Strömen kann die Bordnetzspannung um mehrere Volt einbrechen, so dass sensible Verbraucher in ihrer Funktion vorübergehend gestört werden. Ein solches Verhalten ist insbesondere auch bei den neuen Start-/Stopp-Systemen in Kraftfahrzeugen sehr problematisch.The electrical system of a motor vehicle consists in the simplest case of a vehicle battery, a generator and a variety of energy consumers. When the engine is running, the generator provides electrical voltage that can be used to power the consumers and charge the vehicle battery. Also, the output from the generator power can be adjusted by a regulation to the current power consumption of the electrical consumers. However, the novel electrical loads burden the vehicle electrical system with high pulse-shaped currents. Currently used generators are too slow to provide these pulsed currents or to increase the voltage quickly or decrease. The vehicle electrical system voltage is therefore stabilized mainly by the vehicle battery, and the stability of the vehicle electrical system voltage is determined by the internal resistance of the vehicle battery. With the high pulsed currents, the vehicle electrical system voltage can break several volts, so that sensitive consumers are temporarily disturbed in their function. Such behavior is particularly problematic even in the new start / stop systems in motor vehicles.

Es wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Systeme zur Reduzierung der Spannungseinbrüche und zum Schutz sensibler Verbraucher entwickelt. Die meisten dieser Systeme verwenden Doppelschichtkondensatoren oder Batterien, die als zusätzliche Energiespeicher im Bordnetz verwendet werden. In vielen bisherigen Systemen wird der zusätzliche Energiespeicher parallel zur Fahrzeugbatterie geschaltet; durch diese Parallelschaltung wird die Gesamtimpedanz reduziert, und der Spannungseinbruch des Bordnetzes wird geringer. Solche Bordnetze sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2005 015 995 A1 sowie DE 10 2007 026 164 A1 bekannt.Different systems have been developed in the past to reduce voltage sags and protect sensitive consumers. Most of these systems use double-layer capacitors or batteries, which are used as additional energy storage in the electrical system. In many previous systems, the additional energy storage is switched parallel to the vehicle battery; this parallel connection reduces the overall impedance and reduces the voltage drop in the electrical system. Such Bordnetze are for example from the publications DE 10 2005 015 995 A1 such as DE 10 2007 026 164 A1 known.

Die Zuschaltung eines zusätzlichen Energiespeichers kann auch unter Vermittlung eines Gleichspannungswandlers erfolgen, wie dies in den Druckschriften WO 02/066293 A1 und DE 198 59 036 A1 beschrieben ist.The connection of an additional energy storage can also be done by switching a DC-DC converter, as in the publications WO 02/066293 A1 and DE 198 59 036 A1 is described.

Es ist außerdem Stand der Technik, die sensiblen Verbraucher direkt durch den zusätzlichen Energiespeicher zu versorgen und somit von den Hochleistungsverbrauchern zu entkoppeln. Eine solche Vorgehensweise ist zum Beispiel in Robert Bosch GmbH, ”Autoelektrik, Autoelektronik, Systeme und Komponenten”, 4. Auflage, Vieweg Verlag, Wiesbaden, ISBN 3-528-13872-6, Seite 16, Abbildung 7 , beschrieben.It is also state of the art to supply the sensitive consumers directly through the additional energy storage and thus decouple from the high-power consumers. Such an approach is for example in Robert Bosch GmbH, "Auto Electrical, Autoelectronics, Systems and Components", 4th edition, Vieweg Verlag, Wiesbaden, ISBN 3-528-13872-6, page 16, Figure 7 , described.

Der neueste Trend geht dahin, einen zusätzlichen Energiespeicher, wie zum Beispiel einen Doppelschichtkondensator, in Reihe zur Fahrzeugbatterie zu schalten. Ein solches Bordnetz ist aus dem Dokument Continental, ELKS 2008 – ”Elektrische Leistungsbordnetze und Komponenten von Straßenfahrzeugen”, Beiträge zum gleichnamigen ersten Symposium vom 8. und 9. Oktober 2008, TU Braunschweig, ISBN: 978-3-937655-17-8, Seite 90 , bekannt. Bei diesem Bordnetz wird der Spannungseinbruch bei einem Motorstart dadurch kompensiert, dass ein Doppelschichtkondensator in Reihe zu der Fahrzeugbatterie geschaltet wird. Durch diese Reihenschaltung kann also – im Idealzustand, wenn der Starter nicht betätigt wird – eine solche Spannung an den Verbrauchern bereitgestellt werden, die größer als die Batteriespannung ist. Demnach erfolgt eine Unterspannungskompensation. Eine Reihenschaltung aus einer Fahrzeugbatterie und einem Doppelschichtkondensator ist ebenfalls aus der Druckschrift DE 10 2005 042 154 A1 bekannt.The latest trend is to connect an additional energy storage, such as a double-layer capacitor, in series with the vehicle battery. Such an electrical system is from the Document Continental, ELKS 2008 - "Electric Power Plants and Components of Road Vehicles", contributions to the first symposium of the same name on 8 and 9 October 2008, TU Braunschweig, ISBN: 978-3-937655-17-8, page 90 , known. In this vehicle electrical system, the voltage drop during an engine start is compensated for by connecting a double-layer capacitor in series with the vehicle battery. By this series circuit can thus - in the ideal state, when the starter is not operated - such a voltage can be provided to the consumers, which is greater than the battery voltage. Accordingly, an undervoltage compensation takes place. A series circuit of a vehicle battery and a double-layer capacitor is also from the document DE 10 2005 042 154 A1 known.

Der gesamte Stand der Technik beschäftigt sich mit der Problematik, Spannungseinbrüche im Bordnetz zu kompensieren. Es ist eine besondere Herausforderung, ohne viel Aufwand, nämlich insbesondere ohne Einsatz eines teuren Gleichspannungswandlers, nicht nur die Spannungseinbrüche kompensieren zu können, sondern auch im Bordnetz auftretenden Überspannungen zu begegnen. Eine Abhilfe schafft hier ein Bordnetz, welches Gegenstand der nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten DE 10 2009 024 374 A ist. Bei diesem Bordnetz sind Schaltmittel bereitgestellt, die den positiven Anschluss eines Energiespeichers mit der Fahrzeugbatterie und den negativen Anschluss dieses Energiespeichers mit einem elektrischen Verbraucher koppeln können. Es kann somit bedarfsabhängig eine Spannung an dem elektrischen Verbraucher bereitgestellt werden, die niedriger als die an der Fahrzeugbatterie anliegende elektrische Spannung ist, sei diese eine Batteriespannung oder eine Generatorspannung eines parallel zur Fahrzeugbatterie geschalteten Generators. Diese niedrigere Spannung wird mit dem zusätzlichen Energiespeicher erreicht, nämlich zum Beispiel einem Doppelschichtkondensator (auch unter der Bezeichnung SuperCap bekannt), also ohne Einsatz eines teuren Gleichspannungswandlers. Dieses bekannte Bordnetz hat den Vorteil, dass – insbesondere wenn ein Generator parallel zur Batterie gekoppelt ist – eine Überspannung am elektrischen Verbraucher kompensiert werden kann. Eine solche Überspannung kann zum Beispiel dann entstehen, wenn ein parallel zur Fahrzeugbatterie gekoppelter elektrischer Hochleistungsverbraucher abgeschaltet wird. In diesem Falle entsteht eine Spannung im Bordnetz, die größer als die im Normalbetrieb vom Generator erzeugte Spannung ist. Bei einer solchen Überspannung ist der Generator alleine nicht in der Lage, diese schnell genug zu kompensieren.The entire state of the art deals with the problem, voltage dips in the Compensate electrical system. It is a particular challenge to be able to compensate not only the voltage dips without much effort, namely in particular without the use of an expensive DC-DC converter, but also to counter overvoltages occurring in the electrical system. A remedy here creates a vehicle electrical system, which is the subject of the published after the filing date of the present application DE 10 2009 024 374 A is. In this electrical system switching means are provided which can couple the positive connection of an energy storage device with the vehicle battery and the negative connection of this energy storage device with an electrical consumer. Thus, depending on demand, a voltage can be supplied to the electrical load which is lower than the voltage applied to the vehicle battery, be it a battery voltage or a generator voltage of a generator connected in parallel to the vehicle battery. This lower voltage is achieved with the additional energy storage, namely, for example, a double-layer capacitor (also known as SuperCap), ie without the use of an expensive DC-DC converter. This known electrical system has the advantage that - especially when a generator is coupled in parallel to the battery - an overvoltage on the electrical load can be compensated. Such an overvoltage can arise, for example, when a parallel to the vehicle battery coupled high-power electrical consumer is turned off. In this case, a voltage arises in the electrical system, which is greater than the voltage generated by the generator during normal operation. With such an overvoltage, the generator alone is not able to compensate for these fast enough.

Nun gilt das Interesse dem Schutz des Bordnetzes – nämlich des spezifischen Bordnetzes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 – vor Verpolströmen, die aufgrund eines Angeschlossenseins einer Fremdbatterie mit einer falschen Polung in dem Bordnetz auftreten können. Wird eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie mit einer falschen Polung angeschlossen – um zum Beispiel ein anderes Kraftfahrzeug zu starten – so können in dem Bordnetz vorhandene elektrische Verbraucher beschädigt werden. Der elektrische Strom fließt nämlich in einem solchen Fall in einer zur vorgesehenen Richtung entgegengesetzten Richtung. Es ist Stand der Technik, einen Verpolschutztransistor oder aber eine Verpolschutzdiode im Stromkreis eines elektrischen Verbrauchers einzusetzen. Dann wird der Stromfluss durch diesen elektrischen Verbraucher unterbrochen beziehungsweise lediglich in eine Richtung freigegeben, und der elektrische Verbraucher wird vor Verpolströmen geschützt. Jedoch verursachen diese Verpolschutztransistoren und die Verpolschutzdioden im Betrieb der elektrischen Verbraucher stets elektrische Verluste; der über den elektrischen Verbraucher fließende Strom fließt nämlich auch stets über den Transistor beziehungsweise die Diode. Dies hat einerseits eine zusätzliche Erwärmung des Bordnetzes zur Folge und erhöht andererseits den Kraftstoffverbrauch und den Kohlendioxidausstoß des Kraftfahrzeugs. Gerade aus den Gründen der zusätzlichen Erwärmung, wie auch um den Ausfall des gesamten Bordnetzes beim Ausfall eines Verpolschutzelementes zu vermeiden, werden in der Regel eine Vielzahl von Verpolschutzelementen eingesetzt, nämlich jeweils ein Verpolschutzelement für jeden elektrischen Verbraucher. Fällt dann ein Verpolschutzelement aus, so ist lediglich ein einziger Verbraucher außer Betrieb. Diese Lösung ist allerdings auch nicht optimal: Es müssen eine Vielzahl von Verpolschutzelementen eingesetzt werden, was einerseits teuer und aufwändig ist und andererseits das Bereitstellen eines kompakten Bordnetzes unmöglich macht.Now, the interest is the protection of the electrical system - namely the specific electrical system according to the preamble of claim 1 - against reverse polarity, which may occur due to an affiliation of a foreign battery with a wrong polarity in the electrical system. If a foreign battery is connected to the vehicle battery with a wrong polarity - for example, to start another motor vehicle - so existing electrical consumers can be damaged in the electrical system. Namely, in such a case, the electric current flows in a direction opposite to the intended direction. It is state of the art to use a polarity reversal protection transistor or a polarity reversal protection diode in the circuit of an electrical load. Then, the current flow is interrupted by this electrical load or released only in one direction, and the electrical load is protected against Verpolströmen. However, these polarity reversal protection transistors and the polarity reversal protection diodes always cause electrical losses during operation of the electrical consumers; namely, the current flowing through the electrical load also always flows through the transistor or the diode. On the one hand, this results in additional heating of the vehicle electrical system and, on the other hand, increases the fuel consumption and the carbon dioxide emissions of the motor vehicle. Especially for reasons of additional heating, as well as to avoid the failure of the entire electrical system in case of failure of a polarity reversal protection element, a variety of polarity reversal protection elements are usually used, namely in each case a Verpolschutzelement for each electrical load. Then fails a polarity reversal protection, so only a single consumer is out of service. However, this solution is also not optimal: There must be a variety of polarity reversal protection elements are used, which on the one hand expensive and expensive and on the other hand makes the provision of a compact electrical system impossible.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Bordnetz der eingangs genannten Gattung ohne viel Aufwand vor Verpolströmen geschützt werden kann, ohne dass hohe elektrische Verluste auftreten.It is an object of the invention to show a way how a vehicle electrical system of the type mentioned can be protected from reverse polarity currents without much effort, without high electrical losses occur.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 gelöst, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10.This object is achieved by a vehicle electrical system with the features according to claim 1 and by a motor vehicle with the features according to claim 9, as well as by a method with the features according to claim 10.

Demnach weist das erfindungsgemäße Bordnetz eine Verpolschutzeinrichtung auf, die in Reihe zum Energiespeicher geschaltet ist und einen Stromfluss verhindern kann, wenn an das Bordnetz eine elektrische Batterie mit einer falschen Polung angeschlossen ist.Accordingly, the vehicle electrical system according to the invention has a polarity reversal protection device, which is connected in series to the energy storage and can prevent a flow of current when the electrical system is connected to an electrical battery with a wrong polarity.

Es wird somit erfindungsgemäß im Falle einer Verpolung der Stromfluss im Schaltungszweig des zusätzlichen Energiespeichers – und nicht wie im Stand der Technik direkt am elektrischen Verbraucher – unterbrochen. Das erfindungsgemäße Bordnetz hat zusätzlich zu den in der Anmeldung DE 10 2009 024 374.7 bereits beschriebenen Vorteilen auch weitere diverse Vorteile: Es wird zunächst ein Verpolschutz für den elektrischen Verbraucher geschaffen; die Verpolschutzeinrichtung kann den Stromfluss bei einer mit einer falschen Polung angeschlossenen Fremdbatterie unterbrechen. Ohne die Verpolschutzeinrichtung würde nämlich gegebenenfalls elektrischer Verpolstrom durch die Schaltmittel fließen, nämlich über parasitäre Dioden von elektrischen Schaltern der Schaltmittel. Zudem kann über die Verpolschutzeinrichtung nur dann elektrischer Strom fließen, wenn die Fahrzeugbatterie über den Energiespeicher mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt ist, also wenn der Energiespeicher zugeschaltet ist. Ansonsten fließt über die Verpolschutzeinrichtung überhaupt kein Strom. Folglich verursacht die Verpolschutzeinrichtung nur in wenigen Fällen elektrische Verluste, nämlich dann, wenn der Energiespeicher geladen oder entladen wird. Die Verlustleistung aufgrund der Verpolschutzeinrichtung kann somit insgesamt auf ein Minimum reduziert werden. Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass im Normalbetrieb der Energiespeicher von der Fahrzeugbatterie und dem elektrischen Verbraucher entkoppelt bleibt und nur bedarfsabhängig – nämlich zum Beispiel bei Auftreten einer Über- bzw. Unterspannung im Bordnetz – zugeschaltet wird. Der Energiespeicher wird also insgesamt lediglich für eine geringe Zeitdauer (etwa 2% der gesamten Betriebszeitdauer) von elektrischem Strom durchflossen. Das gesamte Bordnetz kann außerdem mit nur einer einzigen Verpolschutzeinrichtung auskommen, nämlich für alle elektrischen Verbraucher, und es erübrigt sich der Einsatz von zusätzlichen Verpolschutzeinrichtung mit den damit verbundenen Nachteilen hinsichtlich der Kosten und des Fertigungsaufwands. Das Bordnetz kann somit entsprechend kompakt aufgebaut werden.It is thus according to the invention in the case of a reverse polarity of the current flow in the circuit branch of the additional energy storage - and not as in the prior art directly to the electrical load - interrupted. The electrical system according to the invention has in addition to those in the application DE 10 2009 024 374.7 Advantages already described also other diverse advantages: It is initially created a polarity reversal protection for the electrical load; The polarity reversal protection device can interrupt the flow of current in a foreign battery connected to a wrong polarity. Without the reverse polarity protection device, electrical reverse polarity current would possibly flow through the switching means, namely via parasitic diodes of electrical switches of the switching means. In addition, electric current can only flow via the polarity reversal protection device when the vehicle battery is connected to the electrical system via the energy store Consumer is coupled, so when the energy storage is switched on. Otherwise, no current flows at all via the polarity reversal protection device. Consequently, the Verpolschutzeinrichtung causes electrical losses only in a few cases, namely, when the energy storage is charged or discharged. The power loss due to the polarity reversal protection device can thus be reduced to a minimum. The invention makes use of the fact that in normal operation the energy storage remains decoupled from the vehicle battery and the electrical consumer and only on demand - namely, for example, when an overvoltage or undervoltage occurs in the electrical system - is switched on. The energy storage is thus traversed by a total of only a small amount of time (about 2% of the total operating time) of electric current. The entire electrical system can also do with only a single polarity reversal device, namely for all electrical loads, and it is unnecessary to use additional polarity reversal protection device with the associated disadvantages in terms of cost and manufacturing effort. The electrical system can thus be constructed correspondingly compact.

Die Verpolschutzeinrichtung kann eine schaltbare Einrichtung sein: Sie kann zwischen einem ersten Betriebszustand, in welchem sie einen Stromfluss durch den Energiespeicher freigibt, und einem zweiten Betriebszustand, in welchem sie den Stromfluss unterbricht, geschaltet werden. Dann kann die Steuereinrichtung die Verpolschutzeinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand schalten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Funktion des Energiespeichers nicht durch die Verpolschutzeinrichtung beeinträchtigt wird. Die Verpolschutzeinrichtung kann nämlich den Stromfluss freigeben, wenn der Energiespeicher genutzt wird, und sie kann den Stromfluss unterbrechen, wenn der Energiespeicher durch die Schaltmittel überbrückt wird.The polarity reversal protection device can be a switchable device: it can be switched between a first operating state in which it releases a current flow through the energy store and a second operating state in which it interrupts the current flow. Then, the control device can switch the Verpolschutzeinrichtung between the first and the second operating state. This embodiment has the advantage that the function of the energy store is not affected by the polarity reversal protection device. Namely, the polarity reversal device can release the current flow when the energy storage device is used, and it can interrupt the flow of current when the energy storage device is bypassed by the switching means.

Prinzipiell kann die Verpolschutzeinrichtung eine einfache Diode aufweisen, die dann den Stromfluss durch den Energiespeicher nur in eine Richtung unterbricht und in die andere Richtung freigibt. Es erweist sich jedoch als besonders vorteilhaft, wenn die Verpolschutzeinrichtung – insbesondere unter Verzicht auf eine zusätzliche Diode – zumindest einen elektrischen Schalter aufweist. Dann kann der Stromfluss durch den Energiespeicher bedarfsgerecht in beide Richtungen freigegeben werden, und der Energiespeicher kann sowohl zur Kompensation einer Unterspannung als auch zur Kompensation einer Überspannung im Bordnetz genutzt werden.In principle, the reverse polarity protection device can have a simple diode, which then interrupts the current flow through the energy store only in one direction and releases it in the other direction. However, it proves to be particularly advantageous if the polarity reversal protection device has at least one electrical switch, in particular without the need for an additional diode. Then the current flow through the energy storage can be released as needed in both directions, and the energy storage can be used both to compensate for an undervoltage and to compensate for an overvoltage in the electrical system.

Die Verpolschutzeinrichtung kann einen ersten MOSFET umfassen, dessen parasitäre Diode in Sperrrichtung zum Energiespeicher angeordnet ist. Ergänzend oder alternativ kann sie einen MOSFET umfassen, dessen parasitäre Diode in Durchlassrichtung zum Energiespeicher angeordnet ist. Sind beide MOSFETs vorhanden, so kann im Falle einer Verpolung der Stromfluss durch den Energiespeicher in beide Richtungen verhindert werden. Diese Ausführungsform erweist sich dann als besonders vorteilhaft, wenn der Energiespeicher gleichzeitig über zwei parallele separate Schaltungszweige der Schaltmittel überbrückt wird, nämlich sowohl auf der Seite des positiven Anschlusses als auch auf der Seite des negativen Anschlusses. Dann sind nämlich die elektrischen Verluste der Schaltmittel minimal, und das Bordnetz ist zusätzlich vor Verpolströmen sicher geschützt, nämlich mithilfe der beiden MODFETs.The polarity reversal protection device may comprise a first MOSFET whose parasitic diode is arranged in the reverse direction to the energy store. Additionally or alternatively, it may comprise a MOSFET whose parasitic diode is arranged in the forward direction to the energy storage. If both MOSFETs are present, the current flow through the energy store in both directions can be prevented in the case of a reverse polarity. This embodiment proves to be particularly advantageous if the energy store is simultaneously bridged over two parallel separate circuit branches of the switching means, namely both on the side of the positive terminal and on the side of the negative terminal. Then the electrical losses of the switching means are minimal, and the electrical system is additionally protected against reverse polarity currents, namely using the two MODFETs.

Bevorzugt wird in dem ersten Schaltzustand der Schaltmittel – wenn der positive Anschluss des Energiespeichers mit der Fahrzeugbatterie und der negative Anschluss mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt ist – der erste Betriebszustand der Verpolschutzeinrichtung durch die Steuereinrichtung aufrechterhalten, in welchem die Verpolschutzeinrichtung den Stromfluss durch den Energiespeicher freigibt. Auf diese Weise werden im Bordnetz auftretende Überspannungen vermieden.Preferably, in the first switching state of the switching means - when the positive terminal of the energy store is coupled to the vehicle battery and the negative terminal is coupled to the electrical load - the first operating state of the polarity reversal protection device is maintained by the control device, in which the reverse polarity protection device releases the current flow through the energy store. In this way, surges occurring in the electrical system can be avoided.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schaltmittel in einem zweiten Schaltzustand die Fahrzeugbatterie mit dem elektrischen Verbraucher koppeln. Dann ist der Energiespeicher überbrückt, und an dem elektrischen Verbraucher liegt dieselbe elektrische Spannung an, wie an der Fahrzeugbatterie. Dieser zweite Schaltzustand der Schaltmittel kann bei einem Normalbetrieb des Bordnetzes vorgesehen sein, in welchem der elektrische Verbraucher direkt mit der Fahrzeugbatterie – und bevorzugt auch mit einem parallel zur Fahrzeugbatterie geschalteten Generator – verbunden ist. Tritt zum Beispiel eine Überspannung im Bordnetz auf, so können die Schaltmittel von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand verbracht werden, und die Überspannung kann kompensiert werden. Gleichzeitig wird die Verpolschutzeinrichtung bevorzugt in einen Betriebszustand geschaltet, in welchem sie einen Stromfluss durch den Energiespeicher freigibt.In one embodiment, it is provided that the switching means couple the vehicle battery with the electrical load in a second switching state. Then, the energy storage is bridged, and at the electrical load is the same voltage as on the vehicle battery. This second switching state of the switching means may be provided in a normal operation of the electrical system, in which the electrical load directly to the vehicle battery - and preferably also connected to a parallel to the vehicle battery generator - is connected. If, for example, an overvoltage occurs in the electrical system, then the switching means can be brought from the second switching state into the first switching state, and the overvoltage can be compensated. At the same time, the polarity reversal protection device is preferably switched to an operating state in which it releases a current flow through the energy store.

In dem zweiten Schaltzustand der Schaltmittel kann die Steuereinrichtung die Verpolschutzeinrichtung in dem zweiten Betriebszustand halten, in welchem sie den Stromfluss durch den Energiespeicher unterbricht. Es wird somit – insbesondere beim Einsatz eines Transistors – elektrische Energie gespart; denn die Verpolschutzeinrichtung muss in diesem Falle nicht angesteuert werden und kann im elektrisch sperrenden Zustand verbleiben.In the second switching state of the switching means, the control device can hold the polarity reversal protection device in the second operating state, in which it interrupts the flow of current through the energy store. It is thus - especially when using a transistor - saved electrical energy; because the Verpolschutzeinrichtung must not be controlled in this case and can remain in the electrically blocking state.

Die Steuereinrichtung kann durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel eine solche elektrische Spannung an dem elektrischen Verbraucher bereitstellen, deren Mittelwert in einem Wertebereich von UB – US bis UB liegt. Dabei bezeichnen UB eine an der Fahrzeugbatterie anliegende Spannung – sei diese die Generatorspannung oder die Batteriespannung – und US eine durch den Energiespeicher bereitgestellte Spannung. Dies kann zum Beispiel so gestaltet werden, dass die Steuereinrichtung die Schaltmittel abwechselnd mit einer vorbestimmten Frequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand schaltet. Durch entsprechende Auswahl des Verhältnisses der Zeit, während welcher der Energiespeicher zwischen der Fahrzeugbatterie und dem elektrischen Verbraucher geschaltet ist, zu der Zeit, in welcher der Energiespeicher überbrückt ist, kann ein beliebiger Mittelwert der Spannung an dem elektrischen Verbraucher in dem oben angegebenen Wertebereich eingestellt werden. Somit ist es möglich, eine beliebige Überspannung, sei es eine geringe oder auch eine hohe Überspannung, zu kompensieren. Es muss lediglich der Mittelwert entsprechend eingestellt werden. Dies kann zum Beispiel in einem solchen Ablauf umgesetzt werden: Der elektrische Verbraucher ist ein sensibler Verbraucher, zum Beispiel ein Radiogerät. Ein Elektromotor eines Lenksystems – als Hochleistungsverbraucher – und ein Generator sind parallel zur Fahrzeugbatterie gekoppelt. Der Fahrer des Kraftfahrzeugs fährt zunächst geradeaus, so dass der Elektromotor nicht betätigt wird. Während dieser Zeit sind die Fahrzeugbatterie und der parallel dazu geschaltete Generator direkt mit dem Radio verbunden, d. h. der Energiespeicher ist überbrückt. Die Steuereinrichtung regelt in diesem Normalbetrieb den Generator so, dass er eine Bordnetzspannung von zum Beispiel 14,5 Volt bereitstellt. Der Fahrer lenkt nun das Fahrzeug nach links, und der Elektromotor des Lenksystems wird in Betrieb genommen. Während des Betriebs des Elektromotors erhöht der Generator die Bordnetzspannung, so dass diese von dem Wert 14,5 Volt nicht abweicht. Ist das Lenkmanöver abgeschlossen, wird der Elektromotor abgeschaltet, und die Bordnetzspannung erhöht sich zum Beispiel auf 17 Volt. Der Generator ist zu langsam, um diese Überspannung schnell zu kompensieren. Die Steuereinrichtung schaltet nun die Schaltmittel abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand, nämlich derart, dass durch den Energiespeicher die Bordnetzspannung wieder auf 14,5 Volt reduziert wird. Die Schaltmittel werden also so abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand geschaltet, dass von dem Energiespeicher – welcher eine maximale Spannung von z. B. 5 Volt bereitstellen kann – eine Spannung mit einem Mittelwert von –2,5 Volt bereitgestellt wird. Somit ist gewährleistet, dass die Bordnetzspannung selbst nach Abschalten des Antriebsmotors auf 14,5 Volt eingestellt wird.The control device can by appropriate control of the switching means such an electrical voltage to the electrical Provide consumers whose average is in a range of U B - U S to U B. In this case, U B denotes a voltage applied to the vehicle battery voltage - be it the generator voltage or the battery voltage - and U S is a voltage provided by the energy store. This may for example be designed so that the control device switches the switching means alternately with a predetermined frequency between the first and the second switching state. By appropriate selection of the ratio of the time during which the energy storage is connected between the vehicle battery and the electrical load, at the time in which the energy storage is bypassed, an arbitrary average value of the voltage can be set to the electrical load in the above range of values , Thus, it is possible to compensate any overvoltage, be it a low or a high overvoltage. It is only necessary to set the mean value accordingly. This can be implemented, for example, in such a process: the electrical consumer is a sensitive consumer, for example a radio. An electric motor of a steering system - as a high-performance consumer - and a generator are coupled parallel to the vehicle battery. The driver of the motor vehicle initially drives straight ahead so that the electric motor is not actuated. During this time, the vehicle battery and the parallel generator connected directly to the radio, ie the energy storage is bridged. The controller controls the generator in this normal operation so that it provides a vehicle electrical system voltage of, for example, 14.5 volts. The driver now steers the vehicle to the left, and the electric motor of the steering system is put into operation. During operation of the electric motor, the generator increases the vehicle electrical system voltage so that it does not deviate from the value of 14.5 volts. When the steering maneuver is completed, the electric motor is switched off, and the vehicle electrical system voltage increases, for example, to 17 volts. The generator is too slow to quickly compensate for this overvoltage. The control device now switches the switching means alternately between the first and the second switching state, namely such that the vehicle electrical system voltage is reduced again to 14.5 volts by the energy store. The switching means are thus switched so alternately between the first and the second switching state that of the energy storage - which a maximum voltage of z. B. can provide 5 volts - a voltage with a mean of -2.5 volts is provided. This ensures that the vehicle electrical system voltage is set to 14.5 volts even after switching off the drive motor.

Es kann vorgesehen sein, dass die Schaltmittel in einem dritten Schaltzustand den positiven Anschluss des Energiespeichers mit dem elektrischen Verbraucher und den negativen Anschluss des Energiespeichers mit der Fahrzeugbatterie koppeln. Dann ist an dem elektrischen Verbraucher auch eine solche Spannung möglich, die größer als die an der Fahrzeugbatterie anliegende Spannung ist. Diese Ausführungsform wird dazu verwendet, Spannungseinbrüche – die im Bordnetz zum Beispiel durch Zuschalten eines Hochleistungsverbrauchers entstehen – ausgleichen zu können. Insbesondere wenn ein Generator parallel zu der Fahrzeugbatterie geschaltet ist, kann durch Verbringen der Schaltmittel in den dritten Schaltzustand eine Unterspannung schnell kompensiert werden. Ein Generator ist nämlich zu träge, durch Hochleistungsverbraucher verursachte Spannungseinbrüche schnell auszugleichen. Sensible elektrische Verbraucher schalten in der Regel dann ab, wenn die Bordnetzspannung 10,8 Volt unterschreitet. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht somit darin, dass das Abschalten von sensiblen Verbrauchern bei Auftreten eines Spannungseinbruchs vermieden werden kann. Somit sind bei dieser Ausführungsform die Schaltmittel zumindest zwischen dem ersten Schaltzustand, in welchem der positive Anschluss des Energiespeichers mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt ist, und dem dritten Schaltzustand, in welchem der Energiespeicher umgekehrt gepolt ist, schaltbar. Eine solche Kombination ermöglicht die Kompensation sowohl einer Überspannung als auch einer Unterspannung im Bordnetz. Kommt dazu noch der zweite Schaltzustand, in welchem der Energiespeicher überbrückt ist, so kann die Spannung am elektrischen Verbraucher beliebig in einem Wertebereich von UB – US bis UB + US eingestellt werden.It can be provided that, in a third switching state, the switching means couple the positive terminal of the energy store with the electrical load and the negative terminal of the energy store with the vehicle battery. Then, such a voltage is possible at the electrical load, which is greater than the voltage applied to the vehicle battery voltage. This embodiment is used to compensate for voltage dips - which arise in the electrical system, for example, by connecting a high-power consumer - compensate. In particular, when a generator is connected in parallel to the vehicle battery, an undervoltage can be quickly compensated by bringing the switching means in the third switching state. In fact, a generator is too slow to quickly compensate for voltage dips caused by high-power consumers. Sensitive electrical loads usually switch off when the vehicle electrical system voltage drops below 10.8 volts. A particular advantage of this embodiment is therefore that the shutdown of sensitive consumers can be avoided when a voltage dip occurs. Thus, in this embodiment, the switching means are switchable at least between the first switching state, in which the positive terminal of the energy store is coupled to the vehicle battery, and the third switching state, in which the energy store is reversed polarity. Such a combination allows the compensation of both an overvoltage and an undervoltage in the electrical system. If the second switching state, in which the energy store is bridged, then the voltage at the electrical load can be arbitrarily set in a range of values from U B - U S to U B + U S.

Die Steuereinrichtung kann in dem dritten Schaltzustand der Schaltmittel einen Betriebszustand der Verpolschutzeinrichtung aufrechterhalten, in welchem die Verpolschutzeinrichtung den Stromfluss durch den Energiespeicher freigibt. Dann wird die Funktion des Ausgleichs von Spannungseinbrüchen nicht durch die Verpolschutzeinrichtung beeinträchtigt.In the third switching state of the switching means, the control device can maintain an operating state of the polarity reversal protection device, in which the polarity reversal protection device releases the current flow through the energy store. Then the function of compensation of voltage drops is not affected by the polarity reversal protection device.

Der dritte Schaltzustand der Schaltmittel kann auch in Verbindung mit dem ersten Schaltzustand zum Vorheizen des Energiespeichers auf eine bestimmte Temperatur bei Inbetriebnahme des Bordnetzes und/oder bei einem Übergang von einem Betriebszustand in einen anderen Betriebszustand des Bordnetzes dienen. Es kann nämlich vorgesehen sein, dass die Schaltmittel während einer Vorheizphase des Energiespeichers und/oder bei einem Übergang von einem Betriebszustand in einen anderen Betriebszustand abwechselnd zwischen dem ersten und dem dritten Schaltzustand geschaltet werden. Dann wird der Energiespeicher mehrmals aufgeladen und wieder entladen, bis er auf eine bestimmte Betriebstemperatur aufgeheizt wird.The third switching state of the switching means can also be used in connection with the first switching state for preheating the energy storage to a certain temperature at startup of the electrical system and / or a transition from one operating state to another operating state of the electrical system. Namely, it can be provided that the switching means are switched alternately between the first and the third switching state during a preheating phase of the energy store and / or during a transition from one operating state to another operating state. Then the energy storage is charged several times and discharged again until it is heated to a certain operating temperature.

Die Steuereinrichtung kann durch Ansteuerung der Schaltmittel eine elektrische Spannung an dem elektrischen Verbraucher bereitstellen, deren Mittelwert in einem Wertebereich von UB bis UB + US liegt. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Steuereinrichtung die Schaltmittel abwechselnd zwischen dem dritten Schaltzustand, in welchem der positive Anschluss des Energiespeichers mit dem Verbraucher gekoppelt ist, und dem zweiten Schaltzustand schaltet, in welchem der Energiespeicher überbrückt ist. By controlling the switching means, the control device can provide an electrical voltage to the electrical load whose mean value lies in a value range from U B to U B + U S. This can be achieved, for example, by the control device switching the switching means alternately between the third switching state, in which the positive connection of the energy store is coupled to the consumer, and the second switching state, in which the energy store is bridged.

So kann also ein beliebiger Spannungseinbruch im Bordnetz durch entsprechendes Schalten der Schaltmittel ausgeglichen werden, nämlich zum Beispiel auf eine solche Art und Weise: Der Fahrer fährt mit dem Kraftfahrzeug geradeaus. Während dieser Zeit bleibt ein Elektromotor eines Bremssystems – der parallel zur Fahrzeugbatterie gekoppelt ist – ausgeschaltet. Die Steuereinrichtung regelt die vom Generator erzeugte Bordnetzspannung auf 14,5 Volt. Der Fahrer betätigt nun die Bremse des Kraftfahrzeugs. Der Antriebsmotor im Bremssystem wird aktiviert, und die Bordnetzspannung bricht zu Beginn dieses Manövers ein, nämlich zum Beispiel auf 12 Volt. Da der Generator zu langsam ist, um diesen Spannungseinbruch schnell auszugleichen, schaltet die Steuereinrichtung die Schaltmittel abwechselnd zwischen dem zweiten und dem dritten Schaltzustand so, dass die Bordnetzspannung wieder auf 14,5 Volt eingestellt wird. Die Verpolschutzeinrichtung befindet sich nun in einem Betriebszustand, in welchem sie den Stromfluss durch den Energiespeicher freigibt. Alternativ kann sie abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand synchron zu den Schaltmitteln geschaltet werden. Somit wird der Generatorspannung von 12 Volt die Spannung des Energiespeichers – zum Beispiel von 5 Volt – periodisch aufaddiert, so dass durch entsprechendes Schalten der Schaltmittel eine Spannung am elektrischen Verbraucher mit einem Mittelwert von 14,5 Volt bereitgestellt werden kann. Damit werden sensible Verbraucher in ihrem Betrieb nicht beeinträchtigt.Thus, any voltage drop in the electrical system can be compensated by appropriate switching of the switching means, namely for example in such a way: the driver drives straight ahead with the motor vehicle. During this time, an electric motor of a braking system - which is coupled in parallel to the vehicle battery - remains off. The control device regulates the vehicle electrical system voltage generated by the generator to 14.5 volts. The driver now operates the brake of the motor vehicle. The drive motor in the brake system is activated, and the vehicle electrical system voltage breaks at the beginning of this maneuver, for example, to 12 volts. Since the generator is too slow to compensate for this voltage dip quickly, the control device switches the switching means alternately between the second and the third switching state so that the vehicle electrical system voltage is set back to 14.5 volts. The Verpolschutzeinrichtung is now in an operating condition in which it releases the flow of current through the energy storage. Alternatively, it may be alternately switched between the first and second operating states in synchronism with the switching means. Thus, the generator voltage of 12 volts, the voltage of the energy storage - for example, 5 volts - periodically added so that a voltage at the electrical load with an average of 14.5 volts can be provided by appropriate switching of the switching means. This will not affect sensitive consumers in their business.

Es kann auch ein vierter Schaltzustand der Schaltmittel vorgesehen sein, in welchem die Schaltmittel den elektrischen Verbraucher von der Fahrzeugbatterie trennen.It can also be provided a fourth switching state of the switching means in which the switching means separate the electrical load from the vehicle battery.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Tiefpassfilter mit den Schaltmitteln gekoppelt ist. Ein solcher Filter kann eine mit den Schaltmitteln in Reihe gekoppelte Spule aufweisen, wie auch einen parallel zu der Reihenschaltung der Schaltmittel und der Spule gekoppelten Kondensator. Dann kann an dem elektrischen Verbraucher eine geglättete Spannung bereitgestellt werden, d. h. eine Gleichspannung. Die Amplitude dieser Gleichspannung entspricht dann dem Mittelwert der Summe der an der Batterie anliegenden Spannung und der durch den Energiespeicher bereitgestellten Spannung.It has proved to be particularly advantageous if a low-pass filter is coupled to the switching means. Such a filter may comprise a coil coupled in series with the switching means, as well as a capacitor coupled in parallel with the series connection of the switching means and the coil. Then, a smoothed voltage can be provided to the electrical load, i. H. a DC voltage. The amplitude of this DC voltage then corresponds to the mean value of the sum of the voltage applied to the battery and the voltage provided by the energy store.

Es kann ein Generator parallel zu der Fahrzeugbatterie geschaltet sein. Dann kann die Parallelschaltung der Fahrzeugbatterie und des Generators über die Schaltmittel mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel kann hier die Spannung an dem elektrischen Verbraucher dann stabilisiert werden, wenn ein Hochleistungsverbraucher parallel zum Generator zugeschaltet oder abgeschaltet wird.There may be a generator connected in parallel to the vehicle battery. Then, the parallel connection of the vehicle battery and the generator can be coupled via the switching means to the electrical load. By appropriate control of the switching means, the voltage at the electrical load can then be stabilized when a high-power consumer is switched on or off parallel to the generator.

Ist ein Generator zum Erzeugen einer Generatorspannung parallel zu der Fahrzeugbatterie gekoppelt, so kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Schaltmittel abhängig von dem jeweils augenblicklichen Wert der Generatorspannung ansteuert. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel die an dem elektrischen Verbraucher anliegende Spannung auf einen Sollwert regeln, nämlich durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel. Bricht die Generatorspannung ein, so kann die Steuereinrichtung diesen Spannungseinbruch durch entsprechendes Zuschalten des Energiespeichers kompensieren. Liegt eine Überspannung am Generator vor, so kann diese ebenfalls durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel – wie oben ausgeführt – kompensiert werden.If a generator for generating a generator voltage coupled in parallel to the vehicle battery, it can be provided that the control device controls the switching means depending on the respective instantaneous value of the generator voltage. The control device can regulate, for example, the voltage applied to the electrical load voltage to a desired value, namely by appropriate control of the switching means. If the generator voltage breaks down, the control device can compensate for this voltage dip by appropriately connecting the energy store. If there is an overvoltage on the generator, then this can also be compensated by appropriate control of the switching means - as stated above.

In einer Ausführungsform – in welcher ein Generator zum Erzeugen einer Generatorspannung parallel zur Fahrzeugbatterie gekoppelt ist und die Steuereinrichtung in einem Normalbetrieb die Generatorspannung auf einen ersten Wert einstellt, der größer als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie ist – ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in einem Regenerationsbetrieb die Generatorspannung auf einen vorbestimmten zweiten Wert erhöht, der größer als der erste Wert ist. Im Regenerationsbetrieb wird also die Generatorspannung deutlich höher als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie eingestellt. In einem solchen Regenerationsbetrieb wird die während der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie gebildete Säureschichtung durch Gasblasenrührung aufgehoben, und die wirksame Kapazität der Fahrzeugbatterie wird erhöht. In diesem Regenerationsbetrieb sinkt auch der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie. Durch das Beaufschlagen der Fahrzeugbatterie mit einer hohen Spannung kann außerdem die Kristallgröße des abgeschiedenen Bleisulfats dahingehend verändert werden, dass es von einer unlöslichen in eine lösliche Form übergeht und dadurch an Lade- und Entladeprozessen wieder teilnehmen kann.In one embodiment - in which a generator for generating a generator voltage is coupled in parallel to the vehicle battery and the control device in a normal mode the Sets generator voltage to a first value which is greater than the rated voltage of the vehicle battery - it is provided that the controller increases in a regeneration operation, the generator voltage to a predetermined second value, which is greater than the first value. In regeneration mode, therefore, the generator voltage is set much higher than the rated voltage of the vehicle battery. In such a regeneration operation, the acid stratification formed during the lifetime of the vehicle battery is canceled by gas bubble stirring, and the effective capacity of the vehicle battery is increased. In this regeneration mode, the internal resistance of the vehicle battery also decreases. By applying the high voltage to the vehicle battery, moreover, the crystal size of the deposited lead sulfate can be changed to change from an insoluble to a soluble form and thereby participate in charging and discharging processes.

In einer Ausführungsform – in welcher ein Generator zum Erzeugen einer Generatorspannung parallel zur Fahrzeugbatterie gekoppelt ist und die Steuereinrichtung in einem Normalbetrieb die Generatorspannung auf einen ersten Wert einstellt, der größer als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie ist – ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in einem Rekuperationsbetrieb die Generatorspannung auf einen vorbestimmten zweiten Wert erhöht, der größer als der erste Wert ist. Im Rekuperationsbetrieb wird also die Generatorspannung höher als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie eingestellt. In einem solchen Regenerationsbetrieb kann die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden, wobei die beim Bremsen des Kraftfahrzeugs oder im Schubbetrieb erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt und in der Fahrzeugbatterie gespeichert wird. Im Rekuperationsbetrieb werden die Schaltmittel bevorzugt in den zweiten oder den vierten Schaltzustand verbracht, so dass der elektrische Verbraucher mit dem Generator entweder direkt verbunden oder vom Generator entkoppelt wird. Die Zeitdauer des Rekuperationsbetriebs ist bevorzugt geringer als die des Regenerationsbetriebs.In an embodiment in which a generator for generating a generator voltage is coupled in parallel to the vehicle battery and the control device sets the generator voltage to a first value that is greater than the nominal voltage of the vehicle battery in normal operation, it is provided that the control device in a recuperation operation Generator voltage increases to a predetermined second value which is greater than the first value. In recuperation mode, therefore, the generator voltage is set higher than the rated voltage of the vehicle battery. In such a regeneration operation, the vehicle battery can be charged, wherein the kinetic energy generated during braking of the motor vehicle or in coasting mode is converted into electrical energy and stored in the vehicle battery. In recuperation, the switching means are preferably spent in the second or fourth switching state, so that the electrical load is either directly connected to the generator or decoupled from the generator. The duration of the recuperation operation is preferably lower than that of the regeneration operation.

Die Schaltmittel können umfassen:

  • – einen ersten Schalter, insbesondere einen MOSFET, über welchen die Fahrzeugbatterie mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers koppelbar ist,
  • – einen zweiten Schalter, insbesondere einen MOSFET, über welchen der elektrische Verbraucher mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers koppelbar ist,
  • – einen dritten Schalter, insbesondere einen MOSFET, über welchen die Fahrzeugbatterie mit dem negativen Anschluss des Energiespeichers koppelbar ist, und
  • – einen vierten Schalter, insbesondere einen MOSFET, über welchen der elektrische Verbraucher mit dem negativen Anschluss des Energiespeichers koppelbar ist.
The switching means may include:
  • A first switch, in particular a MOSFET, via which the vehicle battery can be coupled to the positive terminal of the energy store,
  • A second switch, in particular a MOSFET, via which the electrical load can be coupled to the positive terminal of the energy store,
  • A third switch, in particular a MOSFET, via which the vehicle battery can be coupled to the negative terminal of the energy store, and
  • - A fourth switch, in particular a MOSFET, via which the electrical load can be coupled to the negative terminal of the energy store.

Durch Einsatz von MOSFETs können beim Umpolen des Energiespeichers hohe Schaltfrequenzen erreicht werden, die mit herkömmlichen Relais nicht erzielt werden können.By using MOSFETs can be achieved when reversing the energy storage high switching frequencies that can not be achieved with conventional relay.

Es kann bei den Schaltmitteln vorgesehen sein, dass:

  • – eine Kathode einer parasitären Diode des ersten MOSFETs mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers und eine Anode dieser Diode mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt sind,
  • – eine Kathode einer parasitären Diode des zweiten MOSFETs mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers und eine Anode dieser Diode mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt sind,
  • – eine Anode einer parasitären Diode des dritten MOSFETs mit dem negativen Anschluss des Energiespeichers und eine Kathode dieser Diode mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt sind und
  • – eine Anode einer parasitären Diode des dritten MOSFETs mit dem negativen Anschluss des Energiespeichers und eine Kathode dieser Diode mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt sind.
It may be provided in the switching means that:
  • A cathode of a parasitic diode of the first MOSFET is coupled to the positive terminal of the energy store and an anode of this diode is connected to the vehicle battery,
  • A cathode of a parasitic diode of the second MOSFET is coupled to the positive terminal of the energy store and an anode of this diode is connected to the electrical consumer,
  • - An anode of a parasitic diode of the third MOSFETs with the negative terminal of the energy storage and a cathode of this diode are coupled to the vehicle battery and
  • - An anode of a parasitic diode of the third MOSFETs with the negative terminal of the energy storage and a cathode of this diode are coupled to the electrical load.

Gerade bei einer solchen Anordnung der MOSFETs kommen die Vorteile der Erfindung vollständig zum Tragen. Ohne die Verpolschutzeinrichtung würde nämlich bei einer mit falscher Polung angeschlossenen Fremdbatterie elektrischer Strom vom elektrischen Verbraucher über die jeweiligen parasitären Dioden des zweiten und des dritten MOSFETs, wie auch über den Energiespeicher hin zur Fahrzeugbatterie fließen. Dieser Stromfluss wird nun durch die Verpolschutzeinrichtung unterbrochen, und es wird ein Ausfall des elektrischen Verbrauchers und des Energiespeichers verhindert.Especially with such an arrangement of the MOSFETs, the advantages of the invention come fully into play. Without the polarity reversal protection device, electrical current would flow from the electrical load via the respective parasitic diodes of the second and the third MOSFET, as well as via the energy store, to the vehicle battery in the case of a foreign battery connected with incorrect polarity. This current flow is now interrupted by the Verpolschutzeinrichtung, and it is a failure of the electrical load and the energy storage prevented.

Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welches ein solches Bordnetz aufweist.The invention also includes a motor vehicle having such a vehicle electrical system.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Es sind eine Spannungserzeugungseinheit (zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie oder ein Generator), die eine Versorgungsspannung bereitstellt, und ein Energiespeicher (zum Beispiel ein Doppelschichtkondensator) bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird der Energiespeicher für zumindest ein vorbestimmtes erstes Zeitintervall derart mit dem Verbraucher und der Spannungserzeugungseinheit gekoppelt, dass die am Verbraucher anliegende Spannung niedriger als die Versorgungsspannung ist. Für zumindest ein von dem ersten Zeitintervall verschiedenes zweites Zeitintervall unterbricht eine in Reihe zum Energiespeicher geschaltete Verpolschutzeinrichtung einen Stromfluss durch den Energiespeicher, um das Bordnetz vor Verpolströmen zu schützen.The method according to the invention serves to operate an electrical load in a vehicle electrical system of a motor vehicle. There is a voltage generating unit (for example, a vehicle battery or a generator) that provides a supply voltage, and an energy storage (for example, a double-layer capacitor) is provided. In the method, the energy store is coupled for at least a predetermined first time interval with the consumer and the voltage generating unit such that the voltage applied to the load is lower than the supply voltage. For at least one second time interval different from the first time interval, a polarity reversal protection device connected in series with the energy store interrupts a current flow through the energy store in order to protect the electrical system from reverse polarity currents.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wie auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wobei die einzige Figur ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment, as well as with reference to the drawing, wherein the single figure illustrates an electrical system of a motor vehicle according to an embodiment of the invention.

Ein in der Figur dargestelltes Bordnetz 10 umfasst einen Generator 12, einen parallel zum Generator 12 geschalteten Hochleistungsverbraucher 14 und eine parallel zum Generator 12 gekoppelte Fahrzeugbatterie 16. Die Fahrzeugbatterie 16 ist eine Blausäurebatterie. Der Generator 12, der Hochleistungsverbraucher 14 und die Fahrzeugbatterie 16 sind zwischen einem Primärpol 18 und einem Bezugspotenzial 20 gekoppelt. Die Fahrzeugbatterie 16 weist zum Beispiel eine Nennspannung von etwa 12 Volt auf.An illustrated in the figure electrical system 10 includes a generator 12 , one parallel to the generator 12 switched high-power consumers 14 and one parallel to the generator 12 coupled vehicle battery 16 , The vehicle battery 16 is a hydrocyanic acid battery. The generator 12 , the high-performance consumer 14 and the vehicle battery 16 are between a primary pole 18 and a reference potential 20 coupled. The vehicle battery 16 has, for example, a nominal voltage of about 12 volts.

Der Primärpol 18 ist über Schaltmittel 22 und eine Spule 24 mit einem sekundären Pol 26 gekoppelt. Parallel zur Reihenschaltung der Schaltmittel 22 und der Spule 24 ist ein Kondensator 28 geschaltet. Die Spule 24 und der Kondensator 28 bilden einen Tiefpassfilter. Die Induktivität der Spule 24 kann zum Beispiel im Bereich μH liegen. Die Kapazität des Kondensators 28 beträgt zum Beispiel 10 μF. The primary pole 18 is via switching means 22 and a coil 24 with a secondary pole 26 coupled. Parallel to the series connection of the switching means 22 and the coil 24 is a capacitor 28 connected. The sink 24 and the capacitor 28 form a low pass filter. The inductance of the coil 24 may be in the μH range, for example. The capacity of the capacitor 28 is for example 10 μF.

Zwischen dem Sekundärpol 26 und dem Bezugspotenzial 20 sind eine Vielzahl von sensiblen elektrischen Verbrauchern 30 gekoppelt. Die Verbraucher 30 können zum Beispiel ein Radiogerät, ein Scheinwerfer, ein Elektromotor für einen Scheibenwischer u. ä. sein. Eine zwischen dem Sekundärpol 26 und dem Bezugspotenzial 20, also an den Verbrauchern 30 anliegende elektrische Spannung wird als Bordnetzspannung UV bezeichnet.Between the secondary pole 26 and the reference potential 20 are a variety of sensitive electrical consumers 30 coupled. The consumers 30 For example, a radio, a headlight, an electric motor for a windshield wiper, and the like may be used. be a. One between the secondary pole 26 and the reference potential 20 So, at the consumers 30 applied electrical voltage is referred to as vehicle electrical system voltage U V.

An dem Generator 12 liegt eine Generatorspannung UG, und an der Fahrzeugbatterie 16 liegt eine Batteriespannung UB. Aufgrund der Parallelschaltung gilt: UG = UB.At the generator 12 is a generator voltage U G , and on the vehicle battery 16 is a battery voltage U B. Due to the parallel connection: U G = U B.

Das Bordnetz 10 umfasst einen Doppelschichtkondensator 32 als Energiespeicher, welcher einen positiven Anschluss 34 sowie einen negativen Anschluss 36 aufweist. In Reihe zum Doppelschichtkondensator 32 ist eine Verpolschutzeinrichtung 33 geschaltet, die einen ersten MOSFET 35 und einen zweiten MOSFET 50 umfasst. Eine parasitäre Diode 37 des ersten MOSFETs 35 ist in Sperrrichtung zum Doppelschichtkondensator 32 angeordnet; das heißt die Kathode der Diode 37 ist mit dem Doppelschichtkondensator 32 verbunden, während ihre Anode vom Doppelschichtkondensator 32 abgewandt ist. Eine parasitäre Diode 51 des zweiten MOSFETs 50 ist in Durchlassrichtung zum Doppelschichtkondensator 32 angeordnet; das heißt die Anode der Diode 51 ist mit dem Doppelschichtkondensator 32 verbunden, während ihre Kathode vom Doppelschichtkondensator 32 abgewandt ist. Die Reihenschaltung aus dem Doppelschichtkondensator 32 und der Verpolschutzeinrichtung 33 ist zwischen einem ersten Knoten 39 und einem zweiten Knoten 41 geschaltet.The electrical system 10 includes a double-layer capacitor 32 as energy storage, which has a positive connection 34 as well as a negative connection 36 having. In series with the double-layer capacitor 32 is a polarity reversal protection device 33 connected to a first MOSFET 35 and a second MOSFET 50 includes. A parasitic diode 37 of the first MOSFET 35 is in the reverse direction to the double-layer capacitor 32 arranged; that is the cathode of the diode 37 is with the double-layer capacitor 32 connected while their anode from the double-layer capacitor 32 turned away. A parasitic diode 51 of the second MOSFET 50 is in the forward direction to the double-layer capacitor 32 arranged; that is the anode of the diode 51 is with the double-layer capacitor 32 connected while their cathode from the double-layer capacitor 32 turned away. The series connection of the double-layer capacitor 32 and the polarity reversal protection device 33 is between a first node 39 and a second node 41 connected.

Die Schaltmittel 22 umfassen einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten elektrischen Schalter 38, 40, 42, 44, die als MOSFETs ausgebildet sind. Der positive Anschluss 34 des Doppelschichtkondensators 32 bzw. der Knoten 39 ist über den ersten Schalter 38 mit dem Primärpol 18 und über den zweiten Schalter 40 und über die Spule 24 mit dem Sekundärpol 26 koppelbar. Entsprechend ist der negative Anschluss 36 des Doppelschichtkondensators 32 bzw. der Knoten 41 über den dritten Schalter 42 mit dem Primärpol 18 und über den vierten Schalter 44 mit der Spule 24 koppelbar. Die Kathode einer parasitären Diode 43 des ersten Schalters 38 ist mit dem Knoten 39 bzw. dem positiven Anschluss 34 des Doppelschichtkondensators 32 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Primärpol 18 gekoppelt ist. Die Kathode einer parasitären Diode 45 des zweiten Schalters 40 ist ebenfalls mit dem Knoten 39 bzw. dem positiven Anschluss 34 des Doppelschichtkondensators 32 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Sekundärpol 26 gekoppelt ist. Die Kathode einer parasitären Diode 47 des dritten Schalters 42 ist mit dem Primärpol 18 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten 41 bzw. dem negativen Anschluss 36 des Doppelschichtkondensators 32 gekoppelt ist. Schließlich ist die Kathode einer parasitären Diode 49 des vierten Schalters 44 mit dem Sekundärpol 26 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten 41 bzw. dem negativen Anschluss 36 des Doppelschichtkondensators 32 gekoppelt ist.The switching means 22 comprise a first, a second, a third and a fourth electrical switch 38 . 40 . 42 . 44 , which are formed as MOSFETs. The positive connection 34 of the double-layer capacitor 32 or the node 39 is over the first switch 38 with the primary pole 18 and over the second switch 40 and over the coil 24 with the secondary pole 26 coupled. Accordingly, the negative connection is 36 of the double-layer capacitor 32 or the node 41 over the third switch 42 with the primary pole 18 and over the fourth switch 44 with the coil 24 coupled. The cathode of a parasitic diode 43 the first switch 38 is with the node 39 or the positive connection 34 of the double-layer capacitor 32 coupled while its anode to the primary pole 18 is coupled. The cathode of a parasitic diode 45 of the second switch 40 is also with the node 39 or the positive connection 34 of the double-layer capacitor 32 coupled while its anode to the secondary pole 26 is coupled. The cathode of a parasitic diode 47 the third switch 42 is with the primary pole 18 coupled while her anode with the node 41 or the negative connection 36 of the double-layer capacitor 32 is coupled. Finally, the cathode is a parasitic diode 49 of the fourth switch 44 with the secondary pole 26 coupled while her anode with the node 41 or the negative connection 36 of the double-layer capacitor 32 is coupled.

Es ist eine Steuereinrichtung 46 bereitgestellt, die die Schaltmittel 22 sowie die Verpolschutzeinrichtung 33 ansteuert und die Generatorspannung UG regelt.It is a control device 46 provided that the switching means 22 as well as the reverse polarity protection device 33 controls and regulates the generator voltage U G.

Die Verpolschutzeinrichtung 33 schützt das Bordnetz 10 vor Verpolströmen: Sie kann einen Stromfluss durch den Doppelschichtkondensator 32 verhindern, wenn an die Fahrzeugbatterie 16 eine Fremdbatterie mit einer falschen Polung angeschlossen wird. Würde ohne die Verpolschutzeinrichtung 33 eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie mit einer falschen Polung angeschlossen werden, so würde elektrischer Verpolstrom vom Bezugspotential 20 über die elektrischen Verbraucher 30, die parasitäre Diode 45, den Doppelschichtkondensator 32 sowie über die parasitäre Diode 47 hin zum Primärpol 18 fließen. Der Verpolstrom könnte dann die Verbraucher 30 sowie den Doppelschichtkondensator 32 beschädigen. Dieser Stromfluss kann nun mithilfe der Verpolschutzeinrichtung 33 verhindert werden. Die parasitären Dioden 37, 51 unterbrechen nämlich – wenn die MOSFETs 35, 50 sperren – den Stromfluss durch den Doppelschichtkondensator 32. Der Doppelschichtkondensator 32 kann jedoch trotzdem zu beliebiger Zeit ordnungsgemäß in Betrieb genommen werden, nämlich durch Schalten der MOSFETs 35, 50 in den leitenden Schaltzustand. Zwei in entgegengesetzte Richtungen angeordnete MOSFETs 35, 50 haben den Vorteil, dass der Stromfluss durch den Doppelschutzkondensator 32 in beide Richtungen verhindert werden kann. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn alle vier Schalter 38, 40, 42, 44 leitend sind und der Primärpol 18 direkt mit dem Sekundärpol 26 verbunden ist. Auf der einen Seite sind somit die Verluste der Schaltmittel 22 minimal; andererseits ist auch der Verpolschutz gewährleistet.The polarity reversal protection device 33 protects the electrical system 10 Against reverse polarity currents: It can conduct current through the double-layer capacitor 32 prevent when to the vehicle battery 16 a foreign battery is connected with a wrong polarity. Would without the polarity reversal device 33 a foreign battery to be connected to the vehicle battery with a wrong polarity, so electrical reverse polarity of the reference potential 20 about the electrical consumers 30 , the parasitic diode 45 , the double-layer capacitor 32 as well as the parasitic diode 47 towards the primary pole 18 flow. The reverse polarity could then consumers 30 and the double-layer capacitor 32 to damage. This current flow can now be achieved by means of the reverse polarity protection device 33 be prevented. The parasitic diodes 37 . 51 namely interrupt - if the MOSFETs 35 . 50 lock - the flow of current through the double-layer capacitor 32 , The double-layer capacitor 32 However, it can still be properly put into operation at any time, namely by switching the MOSFETs 35 . 50 in the conductive switching state. Two MOSFETs arranged in opposite directions 35 . 50 have the advantage that the flow of current through the double protection capacitor 32 can be prevented in both directions. This proves to be particularly advantageous if all four switches 38 . 40 . 42 . 44 are conductive and the primary pole 18 directly to the secondary pole 26 connected is. On the one hand, therefore, the losses of the switching means 22 minimal; On the other hand, the polarity reversal protection is guaranteed.

In einem ersten Schaltzustand der Schaltmittel 22 sind der erste und der vierte Schalter 38, 44 geschlossen, so dass der positive Anschluss des Doppelschichtkondensators 32 mit dem Primärpol 18 und somit mit der Fahrzeugbatterie 16 gekoppelt ist. In diesem ersten Schaltzustand ist der negative Anschluss 36 des Doppelschichtkondensators 32 über die Spule 24 mit dem Sekundärpol 26 und somit mit den elektrischen Verbrauchern 30 gekoppelt.In a first switching state of the switching means 22 are the first and fourth switches 38 . 44 closed, leaving the positive connection of the double-layer capacitor 32 with the primary pole 18 and thus with the vehicle battery 16 is coupled. In this first switching state is the negative terminal 36 of the double-layer capacitor 32 over the coil 24 with the secondary pole 26 and thus with the electrical consumers 30 coupled.

In einem zweiten Schaltzustand der Schaltmittel 22 sind der erste und der zweite Schalter 38, 40 geschlossen, d. h. der Doppelschichtkondensator 32 ist überbrückt. Um die Verluste auf ein Minimum zu reduzieren, können auch der dritte und der vierte Schalter 42, 44 leitend geschaltet werden, so dass der Doppelschichtkondensator 32 beidseitig überbrückt ist.In a second switching state of the switching means 22 are the first and second switches 38 . 40 closed, ie the double-layer capacitor 32 is bypassed. To minimize the losses, the third and fourth switches can also be used 42 . 44 be turned on, so that the double-layer capacitor 32 bridged on both sides.

In einem dritten Schaltzustand sind der zweite und der dritte Schalter 40, 42 geschlossen: Der positive Anschluss 34 ist mit der Spule 24 und der negative Anschluss 36 ist mit dem Primärpol 18 gekoppelt.In a third switching state, the second and third switches 40 . 42 closed: The positive connection 34 is with the coil 24 and the negative connection 36 is with the primary pole 18 coupled.

In einem vierten Schaltzustand sind alle Schalter 38, 40, 42, 44 oder paarweise der erste und der dritte Schalter 38, 42 bzw. der zweite und der vierte Schalter 40, 44 geöffnet. In diesem vierten Zustand ist der Primärpol 18 von dem Sekundärpol 26 getrennt.In a fourth switching state, all switches 38 . 40 . 42 . 44 or in pairs the first and the third switch 38 . 42 or the second and the fourth switch 40 . 44 open. In this fourth state, the primary pole 18 from the secondary pole 26 separated.

In einem ersten Betriebszustand der Verpolschutzeinrichtung 33 sind die MOSFETs 35, 50 leitend, so dass ein Stromfluss durch den Doppelschichtkondensator 32 freigegeben ist. In einem zweiten Betriebszustand der Verpolschutzeinrichtung 33 hingegen sind die MOSFETs 35, 50 gesperrt, so dass der Stromfluss durch den Doppolschichtkondensator 32 in Sperrrichtung der Diode 37 unterbrochen ist.In a first operating state of the polarity reversal protection device 33 are the mosfets 35 . 50 conductive, allowing a current flow through the double-layer capacitor 32 is released. In a second operating state of the polarity reversal protection device 33 however, the MOSFETs are 35 . 50 locked, so that the current flow through the Doppolschichtkondensator 32 in the reverse direction of the diode 37 is interrupted.

Nachfolgend werden mögliche Betriebszustände des Bordnetzes 10, wie es in der Figur dargestellt ist, erläutert:The following are possible operating states of the electrical system 10 as shown in the figure explains:

Normalbetrieb:Normal operation:

Im Normalbetrieb liefert der Generator 12 eine Spannung von UG = 14,5 Volt. Diese Spannung liegt etwas höher als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie 16, um diese nicht zu belasten. Also beträgt auch die an der Fahrzeugbatterie 16 anliegende Spannung UB 14,5 Volt. Im Normalbetrieb sind die Schaltmittel 22 im zweiten Schaltzustand: Der Doppelschichtkondensator 32 ist über die Schalter 38, 40 und/oder über die Schalter 42, 44 überbrückt. Dies bedeutet, dass die Bordnetzspannung UV gleich der Generatorspannung UG ist. Die Verpolschutzeinrichtung 33 ist im zweiten Betriebszustand: Die MOSFETs 35, 50 sperren und verursachen keine elektrischen Verluste.In normal operation, the generator delivers 12 a voltage of U G = 14.5 volts. This voltage is slightly higher than the rated voltage of the vehicle battery 16 not to burden them. So is also the s.der vehicle battery 16 applied voltage U B 14.5 volts. In normal operation, the switching means 22 in the second switching state: the double-layer capacitor 32 is over the switches 38 . 40 and / or the switches 42 . 44 bridged. This means that the vehicle electrical system voltage U V is equal to the generator voltage U G. The polarity reversal protection device 33 is in the second operating state: the MOSFETs 35 . 50 lock and cause no electrical losses.

Ladebetrieb:Charging:

In einem Ladebetrieb, in welchem der Doppelschichtkondensator 32 aufgeladen wird, erzeugt, der Generator 12 ebenfalls eine Spannung UG = 14,5 Volt. In diesem Ladebetrieb werden die Schaltmittel 22 zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand abwechselnd geschaltet. Also verbleibt der erste Schalter 38 im Ladebetrieb geschlossen, während der zweite und der vierte Schalter 40, 44 abwechselnd geschaltet werden. Um die Bordnetzspannung UV etwa auf UV = UG einzustellen, ist die Zeitdauer, während welcher der zweite Schalter 40 geschlossen ist, deutlich länger, als die, während welcher der vierte Schalter 44 geschlossen ist. Über die meiste Zeit wird also der Doppelschichtkondensator 32 überbrückt. Die Verpolschutzeinrichtung 33 befindet sich nun im ersten Betriebszustand, das heißt der Stromfluss durch den Doppelschichtkondensator 32 ist freigegeben. Alternativ kann die Verpolschutzeinrichtung auch abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand geschaltet werden, nämlich synchron mit den Schaltmitteln 22.In a charging operation, in which the double-layer capacitor 32 is charged, the generator is generated 12 also a voltage U G = 14.5 volts. In this charging operation, the switching means 22 alternately switched between the first and the second switching state. So the first switch remains 38 closed in the loading mode, while the second and the fourth switch 40 . 44 be switched alternately. To set the vehicle electrical system voltage U V approximately to U V = U G , is the period of time during which the second switch 40 is closed, much longer than that during which the fourth switch 44 closed is. Over most of the time, therefore, the double-layer capacitor 32 bridged. The polarity reversal protection device 33 is now in the first operating state, that is, the current flow through the double-layer capacitor 32 is released. Alternatively, the Verpolschutzeinrichtung can also alternate between the first and the second operating state, namely in synchronism with the switching means 22 ,

Überspannungskompensation bei Lastabschaltung:Overvoltage compensation at load shutdown:

Es kommt zu einer Erhöhung der Generatorspannung UG dann, wenn der Hochleistungsverbraucher 14 plötzlich abgeschaltet wird. Die Generatorspannung UG kann sich beispielsweise von 14,5 Volt auf 17 Volt erhöhen. Der Generator 12 ist zu träge, um diese Spannungserhöhung schnell auszugleichen. Hier zeigt sich die Brückenschaltung einschließlich der Schaltmittel 22 und des Doppelschichtkondensators 32 hilfreich. Kommt es zu einer Überspannung zwischen dem Primärpol 18 und dem Bezugspotenzial 20, schaltet die Steuereinrichtung 46 die Schaltmittel 22 von dem zweiten Schaltzustand, in welchem der Doppelschichtkondensator 32 überbrückt ist, in den ersten Schaltzustand, in welchem der positive Anschluss 34 des Doppelschichtkondensators 32 mit dem Primärpol 18 gekoppelt ist. Dann gilt: UV = UG – US. Also wird die Bordnetzspannung UV in diesem Falle auf den Wert von 14,5 Volt geregelt. Um bei einem 5 Volt – Doppelschichtkondensator 32 die Bordnetzspannung UV auf diesen Wert einzustellen, kann es erforderlich sein, die Schaltmittel 22 abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand zu schalten. So kann nämlich ein beliebiger Mittelwert der Bordnetzspannung UV erreicht werden. Dann wird die Bordnetzspannung UV mittels des Tiefpassfilters einschließlich der Spule 24 und des Kondensators 28 geglättet. Es ist somit möglich, die Bordnetzspannung UV in einem Wertebereich von UG – US und UG + US beliebig einzustellen. Die Verpolschutzeinrichtung 33 befindet sich nun im ersten Betriebszustand, das heißt der Stromfluss durch den Doppelschichtkondensator 32 ist freigegeben. Alternativ kann die Verpolschutzeinrichtung auch abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand geschaltet werden, nämlich synchron mit den Schaltmitteln 22.There is an increase in the generator voltage U G when the high-performance consumer 14 suddenly shut off. The generator voltage U G can increase, for example, from 14.5 volts to 17 volts. The generator 12 is too sluggish to quickly compensate for this increase in voltage. This shows the bridge circuit including the switching means 22 and the double-layer capacitor 32 helpful. If there is an overvoltage between the primary pole 18 and the reference potential 20 , the controller turns off 46 the switching means 22 from the second switching state in which the double-layer capacitor 32 is bridged, in the first switching state, in which the positive connection 34 of the double-layer capacitor 32 with the primary pole 18 is coupled. Then: U V = U G - U S. So the vehicle electrical system voltage U V is regulated in this case to the value of 14.5 volts. In order for a 5 volt double layer capacitor 32 If the vehicle electrical system voltage U V is set to this value, it may be necessary to use the switching means 22 alternately switch between the first and the second switching state. Thus, any desired mean value of the vehicle electrical system voltage U V can be achieved. Then the vehicle electrical system voltage U V by means of the low-pass filter including the coil 24 and the capacitor 28 smoothed. It is thus possible to set the vehicle electrical system voltage U V as desired in a value range of U G -U S and U G + U S. The polarity reversal protection device 33 is now in the first operating state, that is, the current flow through the double-layer capacitor 32 is released. Alternatively, the Verpolschutzeinrichtung can also be switched alternately between the first and the second operating state, namely in synchronism with the switching means 22 ,

Unterspannungskompensation bei Lastzuschalten:Undervoltage compensation for load switching:

Wird der Hochleistungsverbraucher 14 eingeschaltet, so bricht die Generatorspannung UG ein. Zum Beispiel kann die Generatorspannung UG von 14,5 Volt auf 12 Volt einbrechen. Dann schaltet die Steuereinrichtung 46 die Schaltmittel 22 von dem zweiten Schaltzustand, in welchem der Doppelschichtkondensator 32 überbrückt ist, in den dritten Schaltzustand, in welchem der negative Anschluss 36 des Doppelschichtkondensators 32 mit dem Primärpol 18 verbunden ist. Um die Bordnetzspannung UV auf 14,5 Volt zu regeln, kann es notwendig sein, die Schaltmittel 22 zwischen dem zweiten und dem dritten Schaltzustand abwechselnd zu schalten. Auch hier befindet sich die Verpolschutzeinrichtung 33 im ersten Betriebszustand, so dass der Stromfluss durch den Doppelschichtkondensator 32 freigegeben ist. Die Verpolschutzeinrichtung 33 kann auch abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand synchron mit den Schaltmitteln 22 geschaltet werden.Will the high-performance consumer 14 switched on, the generator voltage U G breaks. For example, the generator voltage U G may drop from 14.5 volts to 12 volts. Then the controller switches 46 the switching means 22 from the second switching state in which the double-layer capacitor 32 is bridged, in the third switching state in which the negative terminal 36 of the double-layer capacitor 32 with the primary pole 18 connected is. To regulate the vehicle electrical system voltage U V to 14.5 volts, it may be necessary, the switching means 22 to switch alternately between the second and the third switching state. Here, too, is the reverse polarity protection device 33 in the first operating state, so that the current flow through the double-layer capacitor 32 is released. The polarity reversal protection device 33 can also alternately between the first and the second operating state in synchronism with the switching means 22 be switched.

Regenerationsbetrieb:Regeneration mode:

Mit dem Bordnetz 10 ist es auch möglich, einen Regenerationsbetrieb für die Fahrzeugbatterie 16 einzuleiten. In einem solchen Betrieb wird die Generatorspannung UG für ein vorbestimmtes Zeitintervall auf einen solchen Wert eingestellt, der deutlich höher als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie 16 liegt. Zum Beispiel kann die Generatorspannung UG auf 17 Volt eingestellt werden. Während des Regenerationsbetriebs kann die Bordnetzspannung UV zum Beispiel auf 14,5 Volt geregelt werden oder der Sekundärpol 26 kann von dem Primärpol 18 entkoppelt werden. Durch das Beaufschlagen der Fahrzeugbatterie 16 mit einer hohen Spannung steigt die wirksame Kapazität und sinkt der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie 16.With the electrical system 10 it is also possible a regeneration operation for the vehicle battery 16 initiate. In such an operation, the generator voltage U G is set to a value that is significantly higher than the rated voltage of the vehicle battery for a predetermined time interval 16 lies. For example, the generator voltage U G can be set to 17 volts. During regeneration operation, the vehicle electrical system voltage U V can be regulated to 14.5 volts, for example, or the secondary pole 26 can from the primary pole 18 be decoupled. By applying the vehicle battery 16 With a high voltage, the effective capacity increases and the internal resistance of the vehicle battery decreases 16 ,

Insgesamt wird also ein Bordnetz 10 geschaffen, bei welchem ohne viel Aufwand mehrere Funktionen verwirklicht werden können. Durch Schaltmittel 22 kann sowohl eine Überspannung als auch eine Unterspannung kompensiert werden. Es kann außerdem der Vorgang des Startens einer Brennkraftmaschine unterstützt werden. Zudem ist ein Verpolschutz für elektrische Verbraucher gewährleistet, nämlich durch Einsatz der Verpolschutzeinrichtung 33.Overall, therefore, a wiring system 10 created in which without much effort several functions can be realized. By switching means 22 Both an overvoltage and an undervoltage can be compensated. In addition, the process of starting an internal combustion engine can be supported. In addition, a polarity reversal protection for electrical consumers is ensured, namely by using the polarity reversal protection device 33 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005015995 A1 [0004] DE 102005015995 A1 [0004]
  • DE 102007026164 A1 [0004] DE 102007026164 A1 [0004]
  • WO 02/066293 A1 [0005] WO 02/066293 A1 [0005]
  • DE 19859036 A1 [0005] DE 19859036 A1 [0005]
  • DE 102005042154 A1 [0007] DE 102005042154 A1 [0007]
  • DE 102009024374 A [0008] DE 102009024374 A [0008]
  • DE 102009024374 [0013] DE 102009024374 [0013]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Robert Bosch GmbH, ”Autoelektrik, Autoelektronik, Systeme und Komponenten”, 4. Auflage, Vieweg Verlag, Wiesbaden, ISBN 3-528-13872-6, Seite 16, Abbildung 7 [0006] Robert Bosch GmbH, "Autoelectric, automotive electronics, systems and components", 4th edition, Vieweg Verlag, Wiesbaden, ISBN 3-528-13872-6, page 16, Figure 7 [0006]
  • Dokument Continental, ELKS 2008 – ”Elektrische Leistungsbordnetze und Komponenten von Straßenfahrzeugen”, Beiträge zum gleichnamigen ersten Symposium vom 8. und 9. Oktober 2008, TU Braunschweig, ISBN: 978-3-937655-17-8, Seite 90 [0007] Document Continental, ELKS 2008 - "Electric Power Plants and Components of Road Vehicles", contributions to the first symposium of the same name from 8 and 9 October 2008, TU Braunschweig, ISBN: 978-3-937655-17-8, page 90 [0007]

Claims (10)

Bordnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, mit: – einer Fahrzeugbatterie (16), – einem elektrischen Verbraucher (30), – einem Energiespeicher (32) mit einem positiven und einem negativen Anschluss (34, 36), – Schaltmitteln (22), die in einem ersten Schaltzustand den positiven Anschluss (34) des Energiespeichers (32) mit der Fahrzeugbatterie (16) und den negativen Anschluss (36) des Energiespeichers (32) mit dem elektrischen Verbraucher (30) koppeln und in zumindest einen von dem ersten Schaltzustand verschiedenen weiteren Schaltzustand verbring bar sind, und – einer Steuereinrichtung (46) zum Schalten der Schaltmittel (22) zwischen dem ersten und dem weiteren Schaltzustand, gekennzeichnet durch eine Verpolschutzeinrichtung (33), die in Reihe zum Energiespeicher (32) geschaltet und dazu ausgebildet ist, einen Stromfluss aufgrund einer mit einer falschen Polung an das Bordnetz (10) angeschlossenen elektrischen Batterie zu verhindern.Electrical system ( 10 ) for a motor vehicle, comprising: - a vehicle battery ( 16 ), - an electrical consumer ( 30 ), - an energy store ( 32 ) with a positive and a negative connection ( 34 . 36 ), - switching means ( 22 ), which in a first switching state the positive terminal ( 34 ) of the energy store ( 32 ) with the vehicle battery ( 16 ) and the negative connection ( 36 ) of the energy store ( 32 ) with the electrical consumer ( 30 ) and in at least one of the first switching state different switching state are cash-bar, and - a control device ( 46 ) for switching the switching means ( 22 ) between the first and the further switching state, characterized by a polarity reversal protection device ( 33 ) in series with the energy store ( 32 ) and is adapted to a current flow due to a wrong polarity to the electrical system ( 10 ) to prevent the connected electric battery. Bordnetz (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolschutzeinrichtung (33) zwischen einem ersten Betriebszustand, in welchem sie einen Stromfluss durch den Energiespeicher (32) freigibt, und einem zweiten Betriebszustand, in welchem sie den Stromfluss unterbricht, schaltbar ist, wobei die Steuereinrichtung (46) dazu ausgelegt ist, die Verpolschutzeinrichtung (33) zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand zu schalten.Electrical system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the polarity reversal protection device ( 33 ) between a first operating state in which it flows through the energy store ( 32 ), and a second operating state, in which it interrupts the flow of current, is switchable, wherein the control device ( 46 ) is designed to protect the polarity reversal protection device ( 33 ) between the first and the second operating state. Bordnetz (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolschutzeinrichtung (33) zumindest einen elektrischen Schalter (35, 50) aufweist, insbesondere: – einen MOSFET (35), dessen parasitäre Diode (37) in Sperrrichtung zum Energiespeicher (32) angeordnet ist, und/oder – einen MOSFET (50), dessen parasitäre Diode (51) in Durchlassrichtung zum Energiespeicher (32) angeordnet ist.Electrical system ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the polarity reversal protection device ( 33 ) at least one electrical switch ( 35 . 50 ), in particular: - a MOSFET ( 35 ) whose parasitic diode ( 37 ) in the reverse direction to the energy store ( 32 ), and / or - a MOSFET ( 50 ) whose parasitic diode ( 51 ) in the forward direction to the energy storage ( 32 ) is arranged. Bordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) dazu ausgelegt ist, in dem ersten Schaltzustand der Schaltmittel (22) einen Betriebszustand der Verpolschutzeinrichtung (33) aufrecht zu erhalten, in welchem die Verpolschutzeinrichtung (33) einen Stromfluss durch den Energiespeicher (32) freigibt.Electrical system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 46 ) is designed, in the first switching state of the switching means ( 22 ) an operating state of the polarity reversal protection device ( 33 ), in which the polarity reversal protection device ( 33 ) a current flow through the energy storage ( 32 ) releases. Bordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (22) in einem zweiten Schaltzustand die Fahrzeugbatterie (16) mit dem elektrischen Verbraucher (30) koppeln, so dass der Energiespeicher (32) überbrückt ist, wobei bevorzugt die Steuereinrichtung (46) dazu ausgelegt ist, in dem zweiten Schaltzustand der Schaltmittel (22) die Verpolschutzeinrichtung (33) in einem Betriebszustand zu halten, in welchem sie einen Stromfluss durch den Energiespeicher (32) unterbricht.Electrical system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means ( 22 ) in a second switching state, the vehicle battery ( 16 ) with the electrical consumer ( 30 ), so that the energy store ( 32 ) is bridged, wherein preferably the control device ( 46 ) is adapted, in the second switching state of the switching means ( 22 ) the polarity reversal protection device ( 33 ) in an operating state in which it flows through the energy store ( 32 ) interrupts. Bordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (22) in einem dritten Schaltzustand den positiven Anschluss (34) des Energiespeichers (32) mit dem elektrischen Verbraucher (30) und den negativen Anschluss (36) des Energiespeichers (32) mit der Fahrzeugbatterie (16) koppeln, wobei bevorzugt die Steuereinrichtung (46) dazu ausgelegt ist, in dem dritten Schaltzustand der Schaltmittel (22) einen Betriebszustand der Verpolschutzeinrichtung (33) aufrecht zu erhalten, in welchem die Verpolschutzeinrichtung (33) einen Stromfluss durch den Energiespeicher (32) freigibt.Electrical system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means ( 22 ) in a third switching state the positive terminal ( 34 ) of the energy store ( 32 ) with the electrical consumer ( 30 ) and the negative connection ( 36 ) of the energy store ( 32 ) with the vehicle battery ( 16 ), wherein preferably the control device ( 46 ) is adapted, in the third switching state of the switching means ( 22 ) an operating state of the polarity reversal protection device ( 33 ), in which the polarity reversal protection device ( 33 ) a current flow through the energy storage ( 32 ) releases. Bordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (22) umfassen: – einen ersten Schalter (38), insbesondere einen MOSFET, über welchen die Fahrzeugbatterie (16) mit dem positiven Anschluss (34) des Energiespeichers (32) koppelbar ist, – einen zweiten Schalter (40), insbesondere einen MOSFET, über welchen der elektrische Verbraucher (30) mit dem positiven Anschluss (34) des Energiespeichers (32) koppelbar ist, – einen dritten Schalter (42), insbesondere einen MOSFET, über welchen die Fahrzeugbatterie (16) mit dem negativen Anschluss (36) des Energiespeichers (32) koppelbar ist, – einen vierten Schalter (44), insbesondere einen MOSFET, über welchen der elektrische Verbraucher (30) mit dem negativen Anschluss (34, 36) des Energiespeichers (32) koppelbar ist.Electrical system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means ( 22 ) comprise: - a first switch ( 38 ), in particular a MOSFET, via which the vehicle battery ( 16 ) with the positive connection ( 34 ) of the energy store ( 32 ), - a second switch ( 40 ), in particular a MOSFET, via which the electrical consumer ( 30 ) with the positive connection ( 34 ) of the energy store ( 32 ), - a third switch ( 42 ), in particular a MOSFET, via which the vehicle battery ( 16 ) with the negative connection ( 36 ) of the energy store ( 32 ), - a fourth switch ( 44 ), in particular a MOSFET, via which the electrical consumer ( 30 ) with the negative connection ( 34 . 36 ) of the energy store ( 32 ) can be coupled. Bordnetz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: – eine Kathode einer parasitären Diode (43) des ersten MOSFETs (38) mit dem positiven Anschluss (34) des Energiespeichers (32) und eine Anode dieser Diode (43) mit der Fahrzeugbatterie (16) gekoppelt sind, – eine Kathode einer parasitären Diode (45) des zweiten MOSFETs (40) mit dem positiven Anschluss (34) des Energiespeichers (32) und eine Anode dieser Diode (45) mit dem elektrischen Verbraucher (30) gekoppelt sind, – eine Anode einer parasitären Diode (47) des dritten MOSFETs (42) mit dem negativen Anschluss (36) des Energiespeichers (32) und eine Kathode dieser Diode (47) mit der Fahrzeugbatterie (16) gekoppelt sind und – eine Anode einer parasitären Diode (49) des dritten MOSFETs (44) mit dem negativen Anschluss (36) des Energiespeichers (32) und eine Kathode dieser Diode (49) mit dem elektrischen Verbraucher (30) gekoppelt sind.Vehicle electrical system according to claim 7, characterized in that: - a cathode of a parasitic diode ( 43 ) of the first MOSFET ( 38 ) with the positive connection ( 34 ) of the energy store ( 32 ) and an anode of this diode ( 43 ) with the vehicle battery ( 16 ), - a cathode of a parasitic diode ( 45 ) of the second MOSFET ( 40 ) with the positive connection ( 34 ) of the energy store ( 32 ) and an anode of this diode ( 45 ) with the electrical consumer ( 30 ), - an anode of a parasitic diode ( 47 ) of the third MOSFET ( 42 ) with the negative connection ( 36 ) of the energy store ( 32 ) and a cathode of this diode ( 47 ) with the vehicle battery ( 16 ) and - an anode of a parasitic diode ( 49 ) of the third MOSFET ( 44 ) with the negative connection ( 36 ) of the energy store ( 32 ) and a cathode of this diode ( 49 ) with the electrical consumer ( 30 ) are coupled. Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle with a vehicle electrical system ( 10 ) according to any one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers (30) in einem Bordnetz (10) eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Spannungserzeugungseinheit, die eine Versorgungsspannung bereitstellt, und ein Energiespeicher (32) bereitgestellt sind, und wobei für zumindest ein vorbestimmtes erstes Zeitintervall der Energiespeicher (32) derart mit dem Verbraucher (30) und der Spannungserzeugungseinheit gekoppelt wird, dass die am Verbraucher (30) anliegende Spannung niedriger als die Versorgungsspannung ist, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest ein von dem ersten Zeitintervall verschiedenes zweites Zeitintervall eine in Reihe zum Energiespeicher (32) geschaltete Verpolschutzeinrichtung (33) einen Stromfluss durch den Energiespeicher (32) unterbricht, um das Bordnetz (10) vor Verpolströmen zu schützen.Method for operating an electrical consumer ( 30 ) in a vehicle electrical system ( 10 ) of a motor vehicle, wherein a voltage generating unit that provides a supply voltage, and an energy storage ( 32 ), and wherein for at least a predetermined first time interval the energy store ( 32 ) with the consumer ( 30 ) and the voltage generation unit is coupled to the consumer ( 30 ) voltage is lower than the supply voltage, characterized in that for at least one of the first time interval different second time interval one in series to the energy storage ( 32 ) switched polarity protection device ( 33 ) a current flow through the energy storage ( 32 ) interrupts the on-board network ( 10 ) to protect against reverse polarity.
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