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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, welches ein einen ersten elektrischen Energiespeicher aufweisendes Niedrigspannungsnetz mit einer ersten Spannung und ein einen zweiten elektrischen Energiespeicher aufweisendes Hochspannungsnetz mit einer zweiten Spannung, die höher als die erste Spannung ist, aufweist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines eine Komfortfunktion realisierenden Verbrauchers in einem solchen Kraftfahrzeug.
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Immer häufiger werden in Kraftfahrzeugen Verbraucher vorgeschlagen, die eine höhere Spannung als die üblicherweise in Bordnetzen verwendete Spannung, beispielsweise 12 V, benötigen. Beispiele für solche Verbraucher sind eine Frontscheibenheizung, die eine Frontscheibe des Kraftfahrzeugs möglichst schnell von Schnee und Eis befreien soll, sowie elektrische Turbolader und dergleichen. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, das Bordnetz des Kraftfahrzeugs um ein Hochspannungsnetz für derartige Verbraucher zu erweitern, beispielsweise ein 48 V-Netz. Dabei sind im Stand der Technik verschiedene Varianten bekannt, um derartige Mehrspannungs-Bordnetze, also Bordnetze, die Teilnetze mit unterschiedlichen Spannungen aufweisen, zu realisieren.
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In einer ersten Lösung, der sogenannten Insellösung, wurde vorgeschlagen, über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) aus dem Niedrigspannungsnetz, beispielsweise dem 12 V-Netz, die Spannung für die Verbraucher höherer Spannung zu erzeugen. Dies ist jedoch nachteilhaft, da dadurch eine hohe Belastung eines Generators des Kraftfahrzeugs bzw. eines ersten Energiespeichers im Niedrigspannungsnetz auftritt.
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DE 10 2007 004 279 A1 betrifft ein Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug, in dem vorgeschlagen wird, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher, die jeweils einem Niederspannungs-Bordnetz und einem Hochspannungs-Bordnetz zugeordnet sind, derart in Reihe zu schalten, dass sich durch Zusammennahme beider Energiespeicher die benötigte zweite Spannung in einem Hochspannungs-Bordnetzzweig ergibt. Der Vorteil der dort beschriebenen Variante ist es, die hinzugefügte zweite Batterie auch für 12 V-Verbraucher im Niederspannungs-Bordnetz einsetzen zu können.
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Jedoch ist die in
DE 10 2007 004 279 A1 beschriebene Anordnung dahingehend nachteilhaft, dass der üblicherweise als Bleibatterie ausgeführte erste Energiespeicher auch bei der höheren Spannung verwendet wird, so dass die Rückwirkung eines Hochspannungs-Verbrauchers auf das Niedrigspannungsnetz sehr hoch ist. Beispielsweise existiert bei Bleibatterien zwischen der Lade- und der Entladespannung eine Hysterese von 1 V oder mehr, so dass die Entladung beispielsweise erst ab 12,5 V beginnt. Nimmt man nun einen Stromimpuls von 150 A auf der Hochspannungsseite und einen Batterieinnenwiderstand des ersten Batteriespeichers von 10 mΩ an, so ergibt sich ein Spannungseinbruch von 12,5 V auf 11,0 V, so dass mithin Spannungsschwankungen auftreten, die die Funktion von Verbrauchern des Niedrigspannungsnetzes einschränken oder gefährden können, was insbesondere bei Sicherheitsverbrauchern von großer Bedeutung ist, aber auch bei beispielsweise Komfortverbrauchern zu einem Flackern und dergleichen führen kann. Ein weiterer Nachteil der in
DE 10 2007 004 279 A1 beschriebenen Anordnung ist es, dass die 12 V-Batterie, also der erste Energiespeicher, auch über die Hochspannungsverbraucher zusätzlich zyklisiert wird, was die Lebensdauer einschränkt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches Spannungseinbrüche auf der Niedrigspannungsseite beim Betrieb von Hochspannungs-Verbrauchern möglichst vermeidet und die Lebensdauer eines ersten Energiespeichers des Niedrigspannungsnetzes erhöht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Energiespeicher in einen in seiner Spannung dem ersten Energiespeicher entsprechenden, dem ersten Energiespeicher parallel geschalteten ersten Teilenergiespeicher und einen dem ersten Teilenergiespeicher in Serie geschalteten zweiten Teilenergiespeicher aufgeteilt ist.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, den zweiten Energiespeicher derart aufzuteilen, dass eine Konstellation von Energiespeichern entsteht, in der seitens des Niedrigspannungsnetzes zwei Energiespeicher parallel geschaltet sind, nämlich der erste Energiespeicher, üblicherweise eine Bleibatterie, und der erste Teilenergiespeicher. Diesem in Reihe geschaltet zum Hochspannungsnetz hin ist ein weiterer Energiespeicher, der zweite Teilenergiespeicher, vorgesehen. Anders ausgedrückt kann man auch sagen, dass an dem zweiten Energiespeicher eine Mittelanzapfung vorgesehen wird. Diese Ausgestaltung bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Denn wird dem beispielsweise als 12 V-Bleibatterie ausgebildeten ersten Energiespeicher noch ein weiterer Energiespeicher, welcher bevorzugt keine Hysterese zwischen Ladespannung und Entladespannung aufweist, parallel geschaltet, ist die Rückwirkung von der Hochspannungsseite auf die Niedrigspannungsseite deutlich geringer, nachdem sich durch die Parallelschaltung der Innenwiderstand des Gesamtenergiespeichers aus erstem Energiespeicher und erstem Teilenergiespeicher reduziert. Wird beispielsweise als erster Teilenergiespeicher, was auch für den zweiten Teilenergiespeicher zweckmäßig ist, ein bezüglich der Lade- und Entladespannung hysteresefreier Energiespeicher verwendet, welcher wie der erste Energiespeicher einen Innenwiderstand von 10 mΩ aufweist, ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 5 mΩ. Tritt somit im Hochspannungsnetz ein 150 A-Impuls auf, ergibt sich bei einer Ladespannung von 14 V auf der Niedrigspannungsseite nur ein äußerst geringer Spannungseinbruch auf 13,25 V. Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist mithin ein deutlicher Vorteil gegeben.
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Dies ist im Allgemeinen insbesondere für sicherheitsrelevante Verbraucher von großer Bedeutung, nachdem bei niedriger Versorgungsspannung die volle Funktionsfähigkeit verloren gehen kann. Auch für Komfortverbraucher ist jedoch eine konstante Versorgungsspannung relevant, nachdem bei Spannungsschwankungen beispielsweise Beleuchtungen flackern können.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung bringt jedoch auch noch weitere Vorteile mit sich. Ist, wie üblich, ein an das Niedrigspannungsnetz angeschlossener Generator in dem Kraftfahrzeug vorgesehen, werden sowohl der erste Energiespeicher als auch der erste Teilenergiespeicher des zweiten Energiespeichers sehr schnell durch den Generator geladen. Die Ladezeit über einen gegebenenfalls vorgesehenen Gleichspannungswandler, um den zweiten Teilenergiespeicher zu laden, ist dabei länger. Sowohl der erste Energiespeicher als auch der erste Teilenergiespeicher können vorteilhaft zum Betrieb eines Starters des Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, verwendet werden, so dass hier mehr Energie zur Verfügung steht. Jedoch auch insgesamt kann der zweite Teilenergiespeicher im Niedrigspannungsnetz mit genutzt werden und dieses stützen, beispielsweise in Phasen hoher Netzlast bzw. Generatorbelastung. Der zweite Teilenergiespeicher wirkt also als eine Art weitere 12 V-Batterie.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass letztlich, je nach gewünschten Werten für die erste Spannung und die zweite Spannung, welche beispielsweise zwischen 36 und 52 V liegen kann, bevorzugt bei 48 V, verwendet werden können. Es muss also bezüglich der Aufteilung des zweiten Energiespeichers keinerlei Symmetrie vorliegen, sondern es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer Ausgestaltung des zweiten Energiespeichers aus einzelnen Zellen sechs der Zellen im Niedrigspannungsnetz parallel zu dem ersten Energiespeicher geschaltet sind, 12 Zellen zum Hochspannungsnetz hin dazu in Reihe.
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Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste und/oder der zweite Teilenergiespeicher ein bezüglich der Lade- und Entladespannung hysteresefreier Energiespeicher ist. Das bedeutet also, der zweite Energiespeicher wird bevorzugt aus Teilenergiespeichern aufgebaut, deren Ladespannung im Wesentlichen der Entladespannung entspricht, insbesondere also innerhalb eines Toleranzbereichs, bevorzugt von ±0,1 V oder weniger. Dies trägt deutlich zur Reduzierung der Spannungsschwankungen im Niedrigspannungsnetz bei, wie oben anhand der beispielhaften Rechnung bereits erläutert wurde.
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Entsprechend kann in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Teilenergiespeicher ein Superkondensator ist. Solche Superkondensatoren werden häufig auch als „Supercap” bezeichnet. Für Anwendungen, in denen über eine relativ kurze Zeit hohe Leistungen erforderlich sind, sind Superkondensatoren besonders geeignet. Insbesondere ermöglicht es die vorliegende Erfindung also, einen Superkondensator als zweiten Energiespeicher derart aufzuspalten, dass ein Teil des Superkondensators, mithin der erste Teilenergiespeicher, letztlich eine Ergänzung zu einer 12 V-Batterie oder einem sonstigen ersten Energiespeicher bildet.
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Auch wenn die Ausgestaltung mit Superkondensatoren im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird, sind selbstverständlich auch andere Ausgestaltungen des zweiten Energiespeichers und seiner Teilenergiespeicher denkbar. So ist es beispielsweise möglich, dass als andere Teilenergiespeicher ohne Hysterese eine Kombination aus drei Lithium-Zellen (LMO) und einer Lithiumtitanat-Zelle (LTO), eine Kombination aus drei Lithium-Zellen (LMO) und zwei Nickelmetallhydrid-Zellen (NiMH) oder aber auch eine Kombination von vier Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LPO) verwendet werden können. Ersichtlich sind verschiedene Möglichkeiten denkbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem zweiten Teilenergiespeicher eine Lithium-Ionen-Batterie mit der Spannung des zweiten Teilenergiespeichers entsprechender Spannung parallel geschaltet ist. Zusätzlich zu einer Parallelschaltung seitens des Niedrigspannungsnetzes ist es also auch denkbar, eine derartige Parallelschaltung von Energiespeichern, hier zusätzlich einer Lithium-Ionen-Batterie, vorzusehen, wobei in diesem Fall der zweite Teilenergiespeicher besonders bevorzugt ein Superkondensator ist. Konkret kann also zum Hochspannungsnetz hin parallel zu einem Superkondensator als zweiter Teilenergiespeicher auch noch eine Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen werden, was es also erlaubt, im Hochspannungsnetz nicht nur kurzzeitig hohe Ströme benötigende Verbraucher, mithin Hochleistungsverbraucher, vorzusehen, sondern auch Hochenergieverbraucher zu versorgen, die für eine längere Zeit Energie benötigen, was beispielsweise im Hinblick auf eine Frontscheibenheizung als Verbraucher des Hochspannungsnetzes, die als Hochenergieverbraucher einzuordnen wäre, zweckmäßig ist. Eine Lithium-Ionen-Batterie weist dabei den weiteren Vorteil auf, dass sie zyklisierbar ist, das bedeutet, ihre Lebensdauer erstreckt sich über deutlich mehr Zyklen als beispielsweise bei einer Bleibatterie, beispielsweise den zehn- oder gar den zwanzigfachen Wert, so dass eine derartige zusätzlich vorgesehene Lithium-Ionen-Batterie idealerweise während der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs nicht ausgetauscht werden muss. Die Lithium-Ionen-Batterie kann mithin (wie der zweite Teilenergiespeicher) geladen vorliegen, so dass sie insbesondere auch schon vor Tätigkeit eines Generators des Kraftfahrzeugs, also bevor ein Verbrennungsmotor oder dergleichen aktiv ist, eingesetzt werden kann, um einen Verbraucher, beispielsweise eine Heizeinrichtung, insbesondere eine Frontscheibenheizung, zu aktivieren, so dass ohne Motorstart bereits derartige Vorfunktionen einsetzbar sind, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Das Vorsehen der beiden parallel geschalteten Energiespeicher zum Hochspannungsnetz hin reduziert weiterhin auch die Belastung eines Generators unmittelbar nach Motorstart des Kraftfahrzeugs, zudem werden die Energiespeicher des Niedrigspannungsnetzes entlastet, welche nur beispielsweise ein Drittel der Energie für das Hochspannungsnetz bereitstellen müssen.
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Wie bereits erwähnt wurde, sind verschiedene Verbraucher an das Hochspannungsnetz anschließbar. So kann vorgesehen sein, dass ein an dem Hochspannungsnetz angeschlossener Verbraucher ein eine Komfortfunktion realisierender Verbraucher oder ein elektrischer Turbolader ist. Elektrische Turbolader gewinnen als Option in letzter Zeit zunehmend Bedeutung; auch eine höhere Spannung benötigende Komfortfunktionen werden immer gängiger. Insbesondere kann es sich bei dem eine Komfortfunktion realisierenden Verbraucher um eine Heizeinrichtung, insbesondere eine Heizeinrichtung für eine Frontscheibe des Kraftfahrzeugs (Frontscheibenheizung) handeln.
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In diesem Zusammenhang ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung. So kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die zur Aktivierung des eine Komfortfunktion realisierenden Verbrauchers vor Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs, insbesondere vor Betreten des Kraftfahrzeugs durch den Fahrer, bei Vorliegen eines Aktivierungssignals ausgebildet ist. Das bedeutet, es ist möglich, dass insbesondere bereits vor einer aktiven Niedrigspannungsnetzversorgung, konkret beispielsweise also vor dem Start des Verbrennungsmotors und mithin eines Generators, eine Funktion mit einem temporär aktiven Hochspannungs-Verbraucher ausgeführt werden, da die Energie dazu bzw. ein nennenswerter Teil davon aus dem zweiten, zuvor schon geladenen Energiespeicher entnommen wird und somit insbesondere nicht die Startfähigkeit durch zu starke Energieentnahme aus einer Starterbatterie, insbesondere dem ersten Energiespeicher, gefährdet. Es kann also eine Ansteuerungslogik vorgesehen sein, die bei Vorhandensein eines Aktivierungssignals auch dann bereits Hochleistungs- und/oder Hochenergieverbraucher, insbesondere eine Frontscheibenheizung, aktivieren kann, wenn das Kraftfahrzeug noch nicht in Betrieb genommen wurde bzw. kein Motorstart durchgeführt wurde.
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In konkreter Ausgestaltung kann hierbei beispielsweise vorgesehen sein, dass das Aktivierungssignal von einem dem Kraftfahrzeug zugeordneten Schlüssel und/oder einer dem Kraftfahrzeug zugeordneten Fernbedienung aussendbar ist und/oder unter Berücksichtigung von den Ort des Schlüssels beschreibenden Messdaten ermittelbar ist. Im ersten Fall ist letztlich, sei es über den Schlüssel oder eine sonstige Fernbedienung, dem Benutzer des Kraftfahrzeugs die äußerst vorteilhafte Möglichkeit gegeben, bereits bevor er das Kraftfahrzeug betritt, schon Funktionen, insbesondere Heizfunktionen, zu aktivieren, um das Kraftfahrzeug idealerweise in einem komfortabel fahrbereiten Zustand vorzufinden. Beispielsweise kann eine Frontscheibe bereits abgetaut sein, wenn sich der Fahrer in das Kraftfahrzeug hinein begibt. Eine andere Variante kann auch die automatische Aktivierung von Fahrzeugfunktionen sein, beispielsweise abhängig von einem vermessenen Ort eines mit einem Transponder versehenen Schlüssels. Stellt das Steuergerät beispielsweise fest, dass sich der Schlüssel, mithin ein Benutzer, dem Kraftfahrzeug nähert und gleichzeitig über geeignete Sensorik, dass eine Beheizung notwendig ist, beispielsweise eine Beheizung der Frontscheibe, so kann auch eine vollautomatische Aktivierung vorgesehen werden.
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In der dargestellten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der erste Energiespeicher, der beispielsweise auch als Starterbatterie wirken kann, deutlich geringer belastet, beispielsweise nur zu einem Drittel, so dass die Motorstartfähigkeit im Niedrigspannungsnetz erhalten bleibt.
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Es sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, dass sich das grundsätzliche Steuerungsverfahren auch für andere Bordnetze abseits des beim erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen vorteilhaft einsetzen lässt, um derartige Funktionen, die einen Betrieb von Verbrauchern, insbesondere Heizeinrichtungen, bereits vor Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs erlauben, zu realisieren. Allgemein gesagt könnte mithin auch ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein, das einen eine Komfortfunktion realisierenden Verbraucher und einen dem Verbraucher zugeordneten elektrischen Energiespeicher sowie eine den Betrieb des Verbrauchers steuernde Steuereinrichtung umfasst, welche sich dann dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Aktivierung des Verbrauchers vor Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs, insbesondere vor Betreten des Kraftfahrzeugs durch den Fahrer, bei Vorliegen eines Aktivierungssignals ausgebildet ist. Das Aktivierungssignal kann wie bereits beschrieben gewählt werden. Beispielsweise sind also auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen der dem Verbraucher zugeordnete elektrische Energiespeicher separat von einem Niedrigspannungsnetz gegen Masse verschaltet wird, so dass nur von ihm aus eine Versorgung von derartigen temporären Verbrauchern ermöglicht werden kann. In einer solchen Ausgestaltung würde die gesamte Energie dem dem Verbraucher zugeordneten Energiespeicher entnommen werden, so dass ein Niedrigspannungsnetz bzw. eine darin vorgesehene Starterbatterie überhaupt nicht belastet würde. So wird das Niedrigspannungsnetz weiter bezüglich von Verbrauchsspitzen entlastet und der Generator kann somit nach geringeren Anforderungen ausgelegt werden.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Entladestromfähigkeit des dem Verbraucher zugeordneten Energiespeichers bei Kälte aufgrund höheren Innenwiderstands reduziert sein kann. Hier ist eine geeignete Auslegung des dem Verbraucher zugeordneten Energiespeichers zweckmäßig, so dass der anfangs geringere Strom durch relativ schnelle Eigenerwärmung des Energiespeichers, insbesondere der Zellen des Energiespeichers, mit einhergehender Innenwiderstandsreduzierung zeitnah erhöht werden kann, so dass insgesamt eine ausreichende Systemperformance erreicht wird. Mit anderen Worten bedeutet dies bei einem aus verschiedenen Zellen aufgebauten, dem Verbraucher zugeordneten Energiespeicher, dass die Anzahl der Zellen mit ihrem Eigenwiderstand bei Kälte so gewählt wird, dass eine Anpassung an den Ausgangswiderstand derart vorliegt, dass der Kältestrom nicht höher als erlaubt ist.
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In Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum Laden des zweiten Teilenergiespeichers und gegebenenfalls der Lithium-Ionen-Batterie bei einer einen Schwellwert unterschreitenden Auslastung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Wiederaufladen des zweiten Teilenergiespeichers (und gegebenenfalls der Lithium-Ionen-Batterie) kann mithin zu einem Zeitpunkt erfolgen, an dem die Auslastung des Bordnetzes nicht zu hoch ist, insbesondere die Auslastung eines Generators. Damit ergibt sich eine längere Nachladezeit, die allgemein betrachtet beispielsweise kurz nach dem Motorstart, insbesondere dann, wenn die zu ladenden, dem Hochspannungsnetz zugeordneten Energiespeicher bereits warm sind, erfolgen kann.
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Wie bereits angedeutet, ist es zweckmäßig, das Hochspannungsnetz und das Niedrigspannungsnetz über einen Gleichspannungswandler verbunden sind. Auf diese Weise ist es mithin möglich, Energien zwischen den Netzen auszutauschen. Dies ermöglicht es in einer bevorzugten Ausgestaltung, dass das Kraftfahrzeug einen zum Laden des ersten und des zweiten Energiespeichers ausgebildeten Generator aufweist. Neben dem ersten Energiespeicher und dem ersten Teilenergiespeicher kann über den Gleichspannungswandler mithin auch ein Laden des zweiten Teilenergiespeichers erfolgen sowie gegebenenfalls der Lithium-Ionen-Batterie. Dabei kann, wie bereits dargelegt wurde, der erste Teilenergiespeicher recht schnell geladen werden, gleichzeitig kann der Gleichspannungswandler entsprechend angesteuert werden, um beispielsweise den Ladestrom für den zweiten Teilenergiespeicher so anzupassen, dass die Belastung des Niedrigspannungsnetzes bzw. die Auslastung des Generators beschränkt bleibt. Insbesondere ist so eine Regelung der Nachladeleistung denkbar, welche beispielsweise auf 200 W festgelegt werden kann, was deutlich niedriger ist, als die beispielsweise benötigten 1000 W Heizleistung, wenn beispielsweise als Verbraucher eine Heizeinrichtung an das Hochspannungsnetz angeschlossen ist.
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Denkbar ist es jedoch auch, dass Energie des zweiten Teilenergiespeichers (und gegebenenfalls der Lithium-Ionen-Batterie) über den Gleichspannungswandler in dem Niedrigspannungsnetz nutzbar ist. Es ist also auch möglich, beispielsweise dann, wenn Hochspannungs-Verbraucher gerade keine Energie benötigen, aus dem Hochspannungsnetz dem Niedrigspannungsnetz bzw. dessen Verbrauchern über den Gleichspannungswandler Energie zur Verfügung zu stellen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass jedoch grundsätzlich auch der umgekehrte Fall denkbar ist, das bedeutet, es kann vorgesehen sein, dass eine Schalteinrichtung zum Verbinden eines an dem Hochspannungsnetz vorgesehenen Verbrauchers mit dem ersten Energiespeicher oder dem ersten Teilenergiespeicher des Niedrigspannungsnetzes bei entladenem zweiten Teilenergiespeicher (und gegebenenfalls entladener Lithium-Ionen-Batterie) vorgesehen ist. Sollte also der zweite Teilenergiespeicher (und gegebenenfalls auch die Lithium-Ionen-Batterie) bei Funktionsanforderung nicht geladen sein, kann der Verbraucher alternativ zumindest temporär an das Niedrigspannungsnetz geschaltet und mit gegebenenfalls reduzierter Leistung dennoch betrieben werden.
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Neben dem Kraftfahrzeug betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines eine Komfortfunktion realisierenden Verbrauchers in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug, welcher Verbraucher an das Hochspannungsnetz angeschlossen ist, wobei der Verbraucher vor Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs, insbesondere vor Betreten des Kraftfahrzeugs durch den Fahrer, aktiviert wird. Wie bereits oben erwähnt wurde, geht es beim erfindungsgemäßen Verfahren um die bereits erwähnte frühzeitige Ansteuerungsstrategie, welche auf besonders vorteilhafte Art und Weise mit dem Bordnetz des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs realisiert werden kann und eine deutliche Komfortverbesserung für die Benutzer des Kraftfahrzeugs beinhaltet. Sämtliche diesbezüglichen Ausführungen lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, so dass beispielsweise ein Ansteuerungssignal verwendet werden kann, um den Zeitpunkt der Aktivierung zu bestimmen, welches von einem Schlüssel und/oder einer Fernbedienung ausgesendet werden kann oder durch Messdatenauswertung selbst bestimmt werden kann. Auch eine Ladestrategie kann in das grundsätzlich unabhängig vom erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug realisierbare Verfahren integriert werden, indem beispielsweise ein Laden von dem Hochspannungsnetz zugeordneten Energiespeichern, konkret des zweiten Teilenergiespeichers, bei niedriger Last des Bordnetzes bzw. Generators erfolgen kann.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschrieben Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Bordnetzes eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Prinzipskizze des Bordnetzes eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer zweiten Ausführungsform, und
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3 einen Graphen zur Ansteuerung einer Frontscheibenheizung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Bordnetzes 1 eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einem ersten Ausführungsbeispiel. Ersichtlich handelt es sich um ein Mehrspannungs-Bordnetz 1, welches ein Niedrigspannungsnetz 2, hier bei 12 V, und ein Hochspannungsnetz 3, hier bei 48 V, umfasst. Elektrische Energie kann in das Niedrigspannungsnetz 2 dabei hauptsächlich über einen ersten Energiespeicher 4, hier eine übliche Blei-Batterie, und einen Generator 7 eingespeist werden. Um die 48 V-Spannung, also die zweite Spannung, für das Hochspannungsnetz 3 bereitzustellen, ist ein zweiter Energiespeicher 5 vorgesehen, der hier jedoch ersichtlich aufgeteilt ist.
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Der erste Teilenergiespeicher 6, hier als ein Superkondensator ausgebildet, liefert einen Spannungsanteil von 12 V und ist letztlich über den Mittenabgriffspunkt 26 mit dem Niedrigspannungsnetz 2 verbunden, so dass er zum einen als weitere 12 V-Energiequelle für das Niedrigspannungsnetz 2 dienen kann, zum anderen aber auch unmittelbar Ober den Generator 7 aufgeladen werden kann. Die in dem ersten Energiespeicher 4 und dem ersten Teilenergiespeicher 6 gespeicherte elektrische Energie kann eingesetzt werden, um beispielsweise einen an das Niedrigspannungsnetz 2 angeschlossenen Starter 8 oder weitere Niedrigspannungsverbraucher 27 zu versorgen.
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Es sei im Übrigen an dieser Stelle angemerkt, dass es auch denkbar ist, den ersten Teilenergiespeicher 6 als eine Art Aushilfsbatterie zu verwenden, wenn dieser und einige der Niedrigspannungsverbraucher 27 über einen geeigneten Schalter von dem übrigen Niedrigspannungsnetz 2, insbesondere also dem ersten Energiespeicher 4 und dem Starter 8, abgetrennt werden, beispielsweise während eines Startvorgangs, um so Schwankungen zu vermeiden. Dies ist in 1 jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt.
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Dem ersten Teilenergiespeicher 6, der ja dem ersten Energiespeicher 4 parallel geschaltet ist, folgt in Reihe zum Hochspannungsnetz 3 hin ein zweiter Teilenergiespeicher 9, der in diesem Ausführungsbeispiel wiederum als ein Superkondensator ausgebildet ist und der die übrige benötigte Spannung, hier 36 V, zur Verfügung stellt. Somit ergeben der erste Teilenergiespeicher 6 und der zweite Teilenergiespeicher 9 den zweiten Energiespeicher 5, der die zweite Spannung für das Hochspannungsnetz 3 zur Verfügung stellt.
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Das Hochspannungsnetz 3 weist Hochspannungs-Verbraucher 10 auf, beispielsweise einen elektrischen Turbolader, in diesem Ausführungsbeispiel jedoch insbesondere eine Frontscheibenheizung für eine Frontscheibe des Kraftfahrzeugs.
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Das Hochspannungsnetz 3 und das Niedrigspannungsnetz 2 sind ferner über einen Gleichspannungswandler 11 miteinander verbunden, der, wie der Pfeil 12 andeutet, in beide Richtungen betrieben werden kann. Auf diese Art und Weise ist es je nach Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 11 möglich, den zweiten Teilenergiespeicher 9 mit einer bestimmten Ladeleistung über den Generator 5 zu laden oder aber auch Energie des zweiten Teilenergiespeichers 9 auch im Niedrigspannungsnetz 2 nutzbar zu machen.
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Es sei im Übrigen angemerkt, dass auch, was der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist, denkbar ist, dann, wenn der zweite Teilenergiespeicher 9 entladen ist, wenigstens einen Teil der Hochspannungs-Verbraucher 10 über das Niedrigspannungsnetz zu speisen, um einen (wenn auch eingeschränkten) Betrieb zu ermöglichen. Hierzu kann eine geeignete Schalteinrichtung vorgesehen sein.
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Bei dem ersten und dem zweiten Teilenergiespeicher 6, 9 müssen nicht zwangsläufig Superkondensatoren, wie in diesem Ausführungsbeispiel, verwendet werden, sondern es können auch andere, bezüglich der Ladespannung und der Entladespannung hysteresefreie Energiespeicher eingesetzt werden, insbesondere auch Kombinationen unterschiedlicher Zellen, beispielsweise eine Kombination aus drei Lithium-Ionen-Zellen (LMO) mit einer Lithiumtitanatzelle (LTO). Auch eine Kombination von Superkondensatoren mit derartigen Zellen ist denkbar. Insbesondere im Hinblick auf Hochleistungsverbraucher unter den Hochspannungs-Verbrauchern 10 bietet sich jedoch ein Superkondensator zumindest als zweiter Teilenergiespeicher 9 an.
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Liegen nun beispielsweise hohe Stromstöße im Hochspannungsnetz 3 vor, so haben diese eine geringere Auswirkung auf die Spannung im Niedrigspannungsnetz 2, nachdem durch die Parallelschaltung des ersten Energiespeichers 4 und des ersten Teilenergiespeichers 6 auch deren Innenwiderstände parallel geschaltet sind; zudem wirkt sich die Hysteresefreiheit des ersten Teilenergiespeichers 6 positiv aus.
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2 zeigt ein gegenüber 1 leicht modifiziertes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes 1', indem der Einfachheit halber gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Ersichtlich ist im Unterschied zur ersten Ausführungsform in 1 dem zweiten Teilenergiespeicher 9, der wiederum als Superkondensator ausgebildet ist, hier eine Lithium-Ionen-Batterie 13 parallel geschaltet. Auf diese Weise ist auch eine längerfristige Energieversorgung im Hochspannungsnetz 3 möglich, weshalb zur Verdeutlich die Hochspannungs-Verbraucher 10 hier in Hochenergieverbraucher 10a, die keine Spitzenleistungen, dafür aber Leistungen für längere Zeit benötigen, und Hochleistungsverbraucher 10b, die impulsartige große Leistungen benötigen, aufgeteilt sind. Ein Hochenergieverbraucher 10a kann beispielsweise eine Frontscheibenheizung sein, die beispielsweise über 20 bis 40 Sekunden bei 1000 W eine Frontscheibe des Kraftfahrzeugs beheizen soll. Ein Hochleistungsverbraucher 10b ist beispielsweise ein elektrischer Turbolader, aus dem innerhalb von 2 bis 3 Sekunden beispielsweise 5 bis 7 kW benötigt werden. Durch das zusätzliche Vorsehen der Lithium-Ionen-Batterie 13 ist ein auch für längeren Betrieb geeigneter Speicher elektrischer Energie gegeben, der die Gesamtanordnung weiter verbessert. Verschiedenste Anwendungsfälle können über den als Superkondensator ausgebildeten zweiten Teilenergiespeicher 9 und die Lithium-Ionen-Batterie 13 abgedeckt werden.
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Im vorliegenden Beispiel wurde auch der erste Teilenergiespeicher 6 verändert, indem dieser nun drei Lithium-Ionen-Zellen und eine Lithiumtitanat-Zelle umfasst.
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In 2 ist auch eine Schalteinrichtung 28 an dem zweiten Teilenergiespeicher 6 gezeigt. Die Schalteinrichtung 28 kann zweckmäßig auch in der Zuleitung zum Mittenabgriffspunkt 26 vorgesehen werden, um eine komplette Trennung des ersten Energiespeichers 4 von dem zweiten Energiespeicher 5 zu erlauben.
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In den Bordnetzen 1, 1' lässt sich durch geschickte Ansteuerung der Hochspannungsverbraucher 10, 10a, 10b ein erhöhter Komfort für Benutzer des Kraftfahrzeugs realisieren. Hierzu ist in 1 und 2 schematisch eine im Beispiel der Frontscheibenheizung zugeordnete Steuereinrichtung 14 dargestellt, die in Antwort auf ein geeignetes Aktivierungssignal die Frontscheibenheizung auch dann bereits aktivieren kann, wenn das Kraftfahrzeug noch nicht in Betrieb ist, insbesondere noch nicht einmal betreten wurde. Hierzu kann als Aktivierungssignal beispielsweise die Betätigung eines Bedienelements an einem Schlüssel für das Kraftfahrzeug oder einer anderen Fernbedienung herangezogen werden, wobei jedoch auch automatische Ermittlungsmethoden für ein solches Aktivierungssignal denkbar sind. Dies ermöglicht letztlich das Vorsehen des zweiten Teilenergiespeichers 9 bzw. des zweiten Teilenergiespeichers 9 und der Lithium-Ionen-Batterie 13, welche die Belastung größtenteils von dem ersten Energiespeicher 4 und dem Niedrigspannungsnetz 2 hinwegnehmen, so dass mithin die grundsätzliche Startfähigkeit über den Starter 8 erhalten bleibt.
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Dies ergibt sich daraus, dass der zweite Teilenergiespeicher 9 (und im Fall von 2 die Lithium-Ionen-Batterie 13) bereits geladen vorliegen, so dass hier Energie eingesetzt werden kann. Eine Phase niedriger Last im Bordnetz 1, 1' kann genutzt werden, um den Teilenergiespeicher 9 und gegebenenfalls die Lithium-Ionen-Batterie 13 wieder aufladen zu können.
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Dieses durch die Steuereinrichtung 14 realisierte Ansteuerungskonzept wird durch die Graphen in 3 näher veranschaulicht. Dabei sind in 3 drei Größen gegen die Zeit gezeigt, nämlich zum einen die für das Hochspannungsnetz 3 zur Verfügung stehende Energie als Graph 15, der Strom durch den Widerstand der Frontscheibenheizung als Graph 16 und der Ladestrom über den Gleichspannungswandler 11 zum Wiederaufladen des zweiten Teilenergiespeichers 9 und gegebenenfalls der Lithium-Ionen-Batterie 13 als Graph 17. Die Achse 18 markiert den Zeitablauf.
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Zu einem Zeitpunkt 19 wird in diesem Ausführungsbeispiel der Motor des Kraftfahrzeugs gestartet. Dieser Zeitpunkt ist nur beispielhaft nach dem Zeitraum 22 gezeigt; er kann auch in den Zeitraum 22 hineinfallen.
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Zunächst liegen also der zweite Teilenergiespeicher 9 und gegebenenfalls die Lithium-Ionen-Batterie 13 in einem bestimmten Ladezustand 20 vor. Zu einem Zeitpunkt 21, der sogar vor dem Betreten des Kraftfahrzeugs durch den Fahrer liegt, erhält die Steuereinrichtung 14 das Aktivierungssignal, beispielsweise nach Betätigung eines Bedienelements auf dem Schlüssel des Kraftfahrzeugs durch den sich nähernden Fahrer. Die Steuereinrichtung 14 aktiviert nun die Frontscheibenheizung zum Zeitpunkt 21, so dass ein einen Heizwiderstand in der Frontscheibe erhitzender Stromfluss in einem Zeitabschnitt 22 entsteht, der beispielsweise vier bis sechs Minuten andauern kann. Ist die Frontscheibe abgetaut, Zeitpunkt 23, ist die vorhandene Ladung auf einen niedrigeren Ladezustand 24 reduziert, jedoch bezüglich der Energiespeicher des Niedrigspannungsnetzes 2, die nur zu einem geringen Anteil belastet werden, nicht soweit, dass ein Starten des Kraftfahrzeugs nicht möglich sein könnte. Dieses Starten des Motors des Kraftfahrzeugs erfolgt nun zu einem Zeitpunkt 19, das bedeutet, dann ist der Generator 7 auch aktiv. Nichtsdestotrotz werden der zweite Teilenergiespeicher 9 und gegebenenfalls die Lithium-Ionen-Batterie 13 nicht sofort geladen, nachdem das Bordnetz 1, 1' zunächst noch stark belastet ist. Erst wenn die Belastung des Bordnetzes 1, 1', insbesondere also im Niedrigspannungsnetz 2, unter einen Schwellwert gesunken ist, Zeitpunkt 25, wird über den Gleichspannungswandler 11 geladen, jedoch ersichtlich mit geringerer Leistung als bei Realisierung der Komfortfunktion durch die Frontscheibenheizung. Der Ladevorgang kann mithin beispielsweise 20 bis 30 Minuten in Anspruch nehmen.
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Es sei schließlich noch angemerkt, dass sich das Ansteuerungsverfahren, wie es bezüglich in 3 erläutert wurde, auch abseits vom Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Bordnetz 1, 1' einsetzen lässt, beispielsweise, wenn ein zweiter Energiespeicher für die Hochspannungs-Verbraucher separat gegen Masse geschaltet vorgesehen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004279 A1 [0004, 0005, 0005]
