DE102011011007A1

DE102011011007A1 - Kraftfahrzeug mit hochverfügbarem Niederspannungsbordnetz

Info

Publication number: DE102011011007A1
Application number: DE102011011007A
Authority: DE
Inventors: Stefan Keppeler; Daniel Schreiber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2011-11-03

Abstract

Insbesondere im Fall des Startens eines Verbrennungsmotors soll die Versorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs konstant gewährleistet bleiben. Hierzu wird ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz (1), das auf einem niedrigen Spannungspegel betrieben wird, einer Niederspannungsbatterie (2) zum Versorgen des Bordnetzes (1) mit dem niedrigen Spannungspegel, einer Hochspannungsbatterie (3), mit der ein höherer Spannungspegel als der niedrige Spannungspegel bereitstellbar ist, und einem Spannungswandler (4) zum Wandeln des höheren Spannungspegels zu dem niedrigen Spannungspegel vorgeschlagen, sodass das Bordnetz auch von der Hochspannungsbatterie (3) versorgbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, das auf einem niedrigen Spannungspegel betrieben wird, einer Niederspannungsbatterie zum Versorgen des Bordnetzes mit dem niedrigen Spannungspegel, einer Hochspannungsbatterie, mit der ein höherer Spannungspegel als der niedrige Spannungspegel bereitstellbar ist, und einem Spannungswandler zum Wandeln des höheren Spannungspegels zu dem niedrigen Spannungspegel, sodass das Bordnetz auch von der Hochspannungsbatterie versorgbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs der oben genannten Art.
Ein Bordnetz in einem Kraftfahrzeug wird üblicherweise von einer Zwölf-Volt-Batterie versorgt. Bei Elektrofahrzeugen und auch bei Hybridfahrzeugen verfügt das Fahrzeug in der Regel auch über eine Hochvoltbatterie, mit der der elektrische Antrieb versorgt wird. Derartige Hochvoltbatterien stellen einen Hochspannungspegel zur Verfügung, der üblicherweise über 100 V liegt, typischerweise 400 V. Vielfach ist dann ein Spannungswandler vorgesehen, der den Hochspannungspegel der Hochvolt- beziehungsweise Hochspannungsbatterie auf den Niederspannungspegel herabsetzt, sodass das Bordnetz auch von der Hochspannungsbatterie betrieben werden kann.
Ein stabiles Bordnetz in einem Fahrzeug wird derzeit in der Regel durch die Verschaltung von zwei 12 V-Batterien erreicht. Insbesondere wird im Startfall, d. h. wenn der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs gestartet wird, der Starter über eine eigene Batterie versorgt. Die andere Batterie stützt dann das Bordnetz. Die entsprechende Bordnetzumschaltung ist jedoch nicht immer zuverlässig verfügbar und hängt von zahlreichen Faktoren ab.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein stabiles Bordnetz insbesondere in einem Hybridfahrzeug bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen ein Kraftfahrzeug mit

– einem Bordnetz, das auf einem niedrigen Spannungspegel betrieben wird,
– einer Niederspannungsbatterie zum Versorgen des Bordnetzes mit dem niedrigen Spannungspegel,
– einer Hochspannungsbatterie, mit der ein höherer Spannungspegel als der niedrige Spannungspegel bereitstellbar ist, und
– einem Spannungswandler zum Wandeln des höheren Spannungspegels zu dem niedrigen Spannungspegel, so dass das Bordnetz auch von der Hochspannungsbatterie versorgbar ist, wobei
– die Niederspannungsbatterie die einzige Batterie in dem Kraftfahrzeug ist, die direkt den niedrigen Spannungspegel liefert.

In vorteilhafter Weise wird somit durch die Hochspannungsbatterie und den Spannungswandler das Bordnetz auch dann gestützt, wenn die Niederspannungsbatterie die Versorgung des Bordnetzes vorübergehend nicht erfüllen kann. Damit kann in dem Kraftfahrzeug auf eine spezielle Stützbatterie verzichtet werden. Darüber hinaus können auch andere elektronische Komponenten, wie diesbezügliche notwendige Schalter, Kabel und dergleichen, entfallen.
Vorzugsweise ist die Niederspannungsbatterie mittels eines Schalters an das Bordnetz angeschlossen. Dabei kann die Niederspannungsbatterie auch direkt mit einem Niederspannungsverbraucher verbunden sein. Insbesondere kann es sich bei dem Niederspannungsverbraucher um einen Starter handeln. Der Starter lässt sich dann so steuern, dass im Fall des Startens eines Motors des Kraftfahrzeugs durch den Starter das Bordnetz ausschließlich von der Hochspannungsbatterie versorgt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet. Es wird dann beim Starten des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeugs entsprechend der Starter von der Niederspannungsbatterie gespeist, während dabei das Bordnetz von der Hochspannungsbatterie des Hybridfahrzeugs versorgt wird.
Die oben formulierte Aufgabe wird also auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst, wobei die Niederspannungsbatterie mittels eines Schalters an das Bordnetz angeschlossen ist, die Niederspannungsbatterie direkt mit einem Niederspannungsverbraucher, nämlich einem Starter, verbunden ist, und der Schalter so gesteuert wird, dass im Fall des Startens der Motor des Kraftfahrzeugs durch den Starter das Bordnetz ausschließlich von der Hochspannungsbatterie des Kraftfahrzeugs versorgt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Elektroniksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik und
2 ein Elektroniksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar Zum besseren Verständnis der Erfindung wird jedoch zunächst anhand von 1 ein Elektroniksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik näher erläutert.
Ein Kraftfahrzeug, das in 1 nicht explizit dargestellt ist, verfügt über ein Elektroniksystem mit den in der Figur dargestellten Komponenten. Insbesondere besitzt das Kraftfahrzeug ein Bordnetz 1. Dieses Bordnetz 1 wird typischerweise von einer Bordnetzbatterie 2 versorgt. Die Bordnetzbatterie 2 ist eine Niederspannungs- beziehungsweise Niedervoltbatterie mit dem typischen Spannungspegel von 12 V. Sie besitzt beispielsweise eine Kapazität von 95 Ah.
Darüber hinaus besitzt das Fahrzeug, da es sich um ein Hybridfahrzeug handelt, einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor. Beide sind der Übersicht halber hier nicht dargestellt. Der Elektromotor wird in typischerweise von einer Hochspannungs- beziehungsweise Hochvoltbatterie 3 versorgt. Diese Hochvoltbatterie 3 liefert eine Hochspannung mit einem Spannungspegel, der üblicherweise über 100 V, z. B. bei 400 V liegt.
Die Hochspannungsbatterie 3 ist über einen Gleichspannungswandler 4 an das Bordnetz 1 angeschlossen. Dieser Gleichspannungswandler 4 wandelt den Hochspannungspegel der Hochspannungsbatterie 3 zu dem Niederspannungspegel, mit dem das Bordnetz 1 betrieben wird, nämlich hier 12 V.
Der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs wird mithilfe eines Starters 5 gestartet. Dieser Starter 5 besitzt eine Betriebsspannung von 12 V. Im Fall des Startens wird er daher von der Bordnetzbatterie 2 versorgt, die den entsprechend hohen Strom liefern kann. Da der Starter 5 einen hohen Energieverbrauch hat, ist die Bordnetzbatterie entsprechend auszulegen. Dennoch ist es möglich, dass der Starter 5 bei widrigen Umständen soviel Strom von der Bordnetzbatterie zieht, dass diese die Nennspannung (hier 12 V) nicht kontinuierlich aufrechterhalten kann. Dies hätte zur Folge, dass das Bordnetz 1 nicht mehr ausreichend versorgt wird. Ausfälle von Komponenten des Bordnetzes wären die Folge. Unter Umständen wäre die Sicherheit des Kraftfahrzeugs dann nicht mehr gewährleistet.
Zur Vermeidung einer etwaigen Unterversorgung des Bordnetzes beim Starten des Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs wird daher vielfach eine Stützbatterie 6 in das Kraftfahrzeug integriert. Diese Stützbatterie 6 hat also hauptsächlich den Zweck, im Fall des Startens des Verbrennungsmotors das Bordnetz 1 mit ausreichend hoher Spannung zu versorgen. Damit dies auch gewährleistet werden kann, ist die Stützbatterie 6 mithilfe eines Schalters 7 von der Bordnetzbatterie 2 getrennt. Der Schalter 7 ist so gesteuert, dass er im Fall des Startens des Kraftfahrzeugs offen ist. Dann versorgt die Bordnetzbatterie 2 ausschließlich den Starter 5. Die Stützbatterie 6 versorgt dann zusammen mit der Hochvoltbatterie 3 über den Spannungswandler 4 das Bordnetz 1. Es besteht dann nicht die Gefahr, dass die Bordnetzspannung beim Starten des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs stark absinkt.
Zum gewährleisten dieser Sicherheit ist dann aber die Stützbatterie 6 zusammen mit dem Schalter 7 und der entsprechenden Verkabelung notwendig.
Dieser zusätzliche Aufwand wird nun erfindungsgemäß vermieden. Hierzu wird gemäß 2 bei dem Elektroniksystem des Fahrzeugs auf eine Stützbatterie verzichtet. Wie in dem Beispiel von 1 besitzt das Hybridfahrzeug hier ein Bordnetz 1, das von der Bordnetzbatterie 2 mit einem niedrigen Spannungspegel (z. B. 12 V) versorgt wird. Die Bordnetzbatterie 2 dient im Startfall ausschließlich beziehungsweise im Wesentlichen dazu, den Starter 5 zu versorgen. Mit dem Schalter 7 ist auch hier die Bordnetzbatterie 2 von dem Bordnetz 1 getrennt, wenn der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs gestartet wird. Während des üblichen Betriebs des Fahrzeugs, d. h. wenn der Verbrennungsmotor läuft, ist der Schalter 7 geschlossen und die Bordnetzbatterie 2 versorgt das Bordnetz 1 zumindest mit.
Während des Startfalls ist das Bordnetz 1 somit von der Bordnetzbatterie 2 getrennt und wird ausschließlich von der Hochspannungsbatterie 3 versorgt. Dies erfolgt wie in dem Beispiel von 1 über den Spannungswandler 4, der den höheren Spannungspegel der Hochspannungsbatterie 3 auf den niedrigen Spannungspegel, der für das Bordnetz 1 notwendig ist, herabsetzt.
Dies bedeutet, dass im Fall des Startens des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeugs das Teilsystem 8 bestehend aus Bordnetz 1, Spannungswandler 4 und Hochspannungsbatterie 3 unabhängig von der Bordnetzbatterie 2 ist. Mit anderen Worten, während des Startfalls wird das Bordnetz 1 ausschließlich von der Hochspannungsbatterie 3 versorgt. Ein spezieller Regelalgorithmus in dem DC/DC- beziehungsweise Gleichspannungswandler 4 erlaubt diese Betriebsart.
Die 12 V-Stützbatterie kann also ohne Nachteile entfallen, wenn eine entsprechende Steuerung der übrigen Komponenten, insbesondere des Schalters 7 und des Gleichspannungswandlers 4 gegeben ist. Die Verfügbarkeit der Bordnetzumschaltung ist also gegenüber dem Stand der Technik auf gleich bleibend hohem Niveau. Gleichzeitig reduziert sich der Aufwand im Hardwareaufbau, in der Diagnose etc.
Im Fehlerfall (Batterie defekt, Fremdstart etc.) verhält sich das Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Versorgungskonzept wie ein solches mit dem bisherigen Konzept mit zwei 12 V-Batterien.
Es sind mit dem erfindungsgemäßen Konzept somit Vorteile hinsichtlich Kosten zu erwarten, da auf Bauteile, wie die Stützbatterie, Relais, Kabel usw., verzichtet werden kann. Hierdurch ergeben sich auch Verbrauchsvorteile aufgrund von Gewichtseinsparungen.
Bezugszeichenliste

1: Bordnetz
2: Bordnetzbatterie
3: Hochspannungsbatterie
4: Gleichspannungswandler
5: Starter
6: Stützbatterie
7: Schalter
8: Teilsystem

Claims

Kraftfahrzeug mit – einem Bordnetz (1), das auf einem niedrigen Spannungspegel betrieben wird, – einer Niederspannungsbatterie (2) zum Versorgen des Bordnetzes (1) mit dem niedrigen Spannungspegel, – einer Hochspannungsbatterie (3), mit der ein höherer Spannungspegel als der niedrige Spannungspegel bereitstellbar ist, und – einem Spannungswandler (4) zum Wandeln des höheren Spannungspegels zu dem niedrigen Spannungspegel, so dass das Bordnetz (1) auch von der Hochspannungsbatterie (3) versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Niederspannungsbatterie (2) die einzige Batterie in dem Kraftfahrzeug ist, die direkt den niedrigen Spannungspegel liefert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungsbatterie (2) mittels eines Schalters (7) an das Bordnetz (1) angeschlossen ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungsbatterie (2) direkt mit einem Niederspannungsverbraucher (5) verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungsverbraucher (5) ein Starter ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (4) so gesteuert ist, dass im Fall des Startens eines Motors des Kraftfahrzeugs durch den Starter das Bordnetz (1) ausschließlich von der Hochspannungsbatterie (3) versorgt ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Hybridfahrzeug ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (7) so gesteuert wird, dass im Fall des Startens eines Motors des Kraftfahrzeugs durch den Starter das Bordnetz (1) ausschließlich von der Hochspannungsbatterie (3) versorgt wird.