DE102012219560A1

DE102012219560A1 - Bordnetzarchitektur

Info

Publication number: DE102012219560A1
Application number: DE102012219560.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Kaltenbrunner; Eduard Schöberl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN104662285B; CN104662285A; DE102012219560B4; US9827930B2; WO2014064148A1; US20150224948A1

Abstract

Fahrzeug mit einen Verbrennungsmotor und mit einem Bordnetz, welches eine Batterie (1), einen Stromverteiler (5), einen Starter (2), einen Generator (3) und elektrische Verbraucher (4) umfasst, so, dass das Fahrzeug eine erste Versorgungsleitung (6a) umfasst, die erste Versorgungsleitung den Stromverteiler mit einer Starterklemme (7a) oder mit dem Starter verbindet, das Fahrzeug eine zweite Versorgungsleitung umfasst, die zweite Versorgungsleitung (6b) den Stromverteiler mit einem Stützpunkt (7b) verbindet, und die elektrischen Verbraucher und der Generator mit dem Stützpunkt elektrisch verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und mit einem Bordnetz, welches eine Batterie, einen Stromverteiler, einen Starter, einen Generator und elektrische Verbraucher umfasst.
Das elektrische Bordnetz eines Kraftfahrzeugs versorgt eine Vielzahl von elektrischen Komponenten. Die elektrische Leistung wird dabei von einer Bordnetzbatterie und/oder von einem Generator bereitgestellt. Bei modernen Fahrzeugen ist eine steigende Zahl der elektrischen Verbraucher als Hochstromverbraucher ausgeführt. Dies stellt besondere Anforderungen an die Stabilität der Spannung im Bordnetz, da ein hoher Verbrauchsstrom die von der Batterie und/oder vom Generator ausgegebene Spannung reduziert. Insbesondere der Starter wird in modernen Fahrzeugen mit einer automatischen Motor-Start-Stopp-Funktion als Hochstromverbraucher mit Spitzenwerten bis über 600 A häufiger genutzt als in einem konventionellen Fahrzeug.
Die hohe Stromaufnahme des Starters resultiert in im Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen zur Spannungsstützung im Bordnetz, die den Einbruch der Spannung im Bordnetz kompensieren. Dies betrifft beispielsweise die Integration eines Vorwiderstands zur Begrenzung des Starterstroms nach EP 2 469 070 A1 oder die Parallelschaltung von zusätzlichen Spannungsquellen wie Superkondensatoren nach EP 1 564 862 A1 :
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und mit einem Bordnetz, welches eine Batterie, einen Stromverteiler, einen Starter, einen Generator und elektrische Verbraucher umfasst, zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeug eine erste Versorgungsleitung, die den Stromverteiler mit einer Starterklemme oder mit dem Starter verbindet, und es umfasst das Fahrzeug eine zweite Versorgungsleitung, die den Stromverteiler mit einem Stützpunkt verbindet, wobei die elektrischen Verbraucher und der Generator mit dem Stützpunkt elektrisch verbunden sind.
Demnach bestehen im Fahrzeug zwei Versorgungsleitungen zur Verteilung des elektrischen Potentials der Batterie zu Komponenten im Bordnetz. An eine der Leitungen ist der Starter angebunden, an die andere der beiden Leitungen sind der Generator und die elektrischen Verbraucher angebunden. Dadurch ist eine spannungsstabilisierende Bordnetzarchitektur gegeben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Fahrzeug einen Schalter, der zwischen dem Stützpunkt und der Starterklemme befindlich ist, und eine Steuereinheit, die den Schalter steuert. Der Schalter ist als ein Öffner ausgeführt.
In einer standardmäßig eingestellten Schaltstellung verbindet der Schalter also den Stützpunkt und die Starterklemme miteinander elektrisch. Der Stützpunkt kann mit über Sicherungen angebundenen Lastkreisen für elektrische Verbraucher des Fahrzeugs versehen sein.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Fahrzeug zumindest ein Steuergerät umfasst, wenn an das Steuergerät zumindest unidirektional über eine Datenverbindung ein Statussignal zur Anforderung eines Starts übermittelbar ist und das Steuergerät bei einer Startanforderung ein Steuersignal zum Öffnen des Schalters an die Steuereinheit sendet.
Das Steuergerät und die Steuereinheit sind also Teilnehmer in einem Datenübertragungssytem des Fahrzeugs. Ein Statussignal zur Anforderung eines Starts kann beispielsweise bei einem Fahrzeug mit einer automatischen Motor-Start-Stopp-Funktion während eines Motorstopps durch Betätigung eines Kupplungspedals an das Steuergerät übermittelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung öffnet die Steuereinheit vor einem Start des Motors den Schalter und schließt den Schalter nach einem Start des Motors.
Insbesondere während des Starts und zum Zeitpunkt der maximalen Stromaufnahme des Starters sind der Stützpunkt und die Starterklemme bezüglich ihrer Potentiallage getrennt. Der bei einem Motorstart fließende Startstrom zur elektrischen Versorgung des Starters fließt somit getrennt von der den Stützpunkt verbindenden Versorgungsleitung durch die die Starterklemme verbindende Versorgungsleitung und reduziert somit nicht das Potential am Stützpunkt.
Ein weiterer Vorteil ist gegeben, wenn das Datenübertragungssystem als LIN-Bus ausgeführt ist und wenn die Steuereinheit als LIN-Modul mit einem Prozessor und einem Treiber ausgeführt ist. Ein LIN-Bus ist ein kostengünstiges und robustes Datenübertragungssystem.
Ferner kann der Stützpunkt als Fremdstartstützpunkt zur externen Spannungsversorgung des Fahrzeugs nutzbar sein. Zusätzlich kann die Steuereinheit von dem Stromverteiler umfasst sein.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Das elektrische Bordnetz eines Kraftfahrzeugs hat i. d. R. eine Batterie, einen Hochstromsicherungsverteiler, einen Generator, einen Starter für einen Verbrennungsmotor und Leitungen zur Verbindung dieser Komponenten, sowie Klemmen für weitere elektrische Verbraucher.
In diese Bordnetzarchitektur werden insbesondere bei der Integration einer Motor-Start-Stopp-Automatik verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von Unterspannungen an Verbrauchern, beispielsweise Steuergeräten, implementiert. Dies kann unter anderem die Zuschaltung einer zusätzlich integrierten Batterie zur Bordnetzstabilisierung beim Start sein. Nachteilig an einer solchen Stabilisierungsmaßnahme ist, dass sie eine kosten- und bauraumintensive Lösung darstellt und eine Betriebsstrategie für den zusätzlichen Energiespeicher und die Schalteinheit erfordert.
Es wird eine Bordnetzarchitektur vorgeschlagen, die demgegenüber eine geringe Komplexität und eine höhere Robustheit aufweist. Dabei wird im Gleichspannungsbordnetz das elektrische Potential über zwei separate elektrisch parallele Leitungen bereitgestellt. Insbesondere der Starter wird mit einer separaten Starterleitung versorgt. Dadurch wirkt sich die an der Starterleitung abfallende Spannung nicht in der parallelen zweiten Leitung aus.
Zusätzlich ist ein Schaltelement in das Bordnetz integriert, durch welches das Potential am Starter mit dem Potential an einem Verbraucherstützpunkt, an welchem auch der Generator verschaltet ist, verbunden werden kann. Somit halbiert sich der elektrische Widerstand der Starter-/Generatorleitung und es kann die Batterie des Fahrzeugs mit einer geringeren elektrischen Verlustleistung geladen werden. Das Schaltelement wird mit einem in das Fahrzeugbussystem integrierten Modul, vorzugsweise einem LIN-Modul geschaltet.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch 1 Bordnetzarchitektur.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher (1). Dieser ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit als elektrochemischer Energiespeicher ausgeführt, z. B. als Blei-Säure-Batterie. Das Bordnetz weist weiterhin einen Starter (2) für einen Verbrennungsmotor auf. Mechanisch ist an dem Verbrennungsmotor auch ein Generator (3) befindlich, durch den Bordnetzkomponenten, insbesondere ausgewählte elektrische Verbraucher (4) wie Steuergeräte oder Aktuatoren und Sensoren, mit elektrischer Leistung gespeist werden und der Ladestrom für die Batterie bereitstellt.
Der Batterie ist ein Stromverteiler (5) zugeordnet, durch den das Potential der Batterie gegen Masse im Fahrzeug verteilt wird. Dabei werden insbesondere zumindest zwei parallele Leitungen in das Fahrzeug integriert. Eine erste Versorgungsleitung (6a) führt von dem Stromverteiler zu einer ersten Klemme (7a). An diese Klemme ist möglicherweise ausschließlich der Starter geschaltet. Diese Klemme wird als Starterklemme bezeichnet.
Parallel zur ersten Versorgungsleitung verläuft eine zweite Versorgungleitung (6b) von dem Stromverteiler zu einer zweiten Klemme (7b). Dieser Klemme wird als Stützpunkt bezeichnet. An diesen Stützpunkt sind der Generator und die elektrischen Verbraucher geschaltet.
Über ein Schaltelement (8) sind der Stützpunkt und die Starterklemme elektrisch miteinander verbindbar. Das Schaltelement wird von einer Schalteinheit, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit Bestandteil des Stromverteilers ist, geschaltet.
Das Schaltelement ist funktional vorzugeweise als Öffner ausgeführt, wodurch in Ruhelage die elektrische Verbindung energielos hergestellt ist. Allerdings ist auch ein komplementäres Schalten mit einem Schießer statt einem Öffner denkbar. In beiden Fallen jedoch sind der Stützpunkt und die Starterklemme standardmäßig elektrisch miteinander verbunden.
Nach dieser Ausführungsform ist das Schaltelement in seiner Bauart als bistabiles Relais ausgeführt. Als alternative Schaltelemente sind beispielsweise monostabiles Öffner-Relais oder Quasi-Dioden einsetzbar. Eine Quasi-Diode besteht aus zwei Feldeffekt-Transistoren und weist in dieser Verschaltung einen Dioden-Charakter mit einem sehr geringen Widerstand in Flussrichtung auf.
Weiterhin wird von einem Relais ausgegangen, das von der Schalteinheit (9) geschaltet. Die Schalteinheit ist als Modul ausgeführt, d. h. die Schalteinheit umfasst einen Prozessor und einen Treiber. Der Prozessor ermittelt den zu stellenden Schaltzustand des Relais: Das entsprechende Schaltsignal gibt der Treiber aus.
Das Modul ist in ein Bussystem des Fahrzeugs eingebunden, z. B. in das Kommunikationssystem LIN oder CAN. Über die LIN-/CAN-Kommunikation werden dem Prozessor zur Ermittlung des Schaltzustands relevante Informationen übermittelt. Der Prozessor ist beispielsweise mit einer Wortbreite von 16-bit und mit einer Taktrate von 20 MHz ausgeführt.
Im Fahrbetrieb mit laufendem Verbrennungsmotor ist das Öffner-Relais geschlossen. Dies. bietet den Vorteil, dass die Bordnetzbatterie bei einem Ladestrom durch den Generator über die erste Versorgungsleitung und die zweite Versorgungsleitung geladen wird. Dadurch ist – im Vergleich zu einer Ladung nur über die zweite Versorgungsleitung – der elektrische Leitungswiderstand infolge eines vergrößerten Leitungsquerschnitts verkleinert und die elektrische Verlustleistung reduziert.
Bei einem Start des Verbrennungsmotors, d. h. bei einer Betätigung des Starters für einen Kaltstart oder bei einem Warmstart im Fahrbetrieb mit einer Motor-Start-Stopp-Funktion, öffnet die Schalteinheit das Relais.
Die bei einem Startvorgang auftretenden hohen Ströme verursachen einen Spannungseinbruch an der Batterie. Zusätzlich fällt Spannung an der ersten Versorgungsleitung ab. Dieser Effekt nimmt mit der Länge der ersten Versorgungsleitung (i. f. Starterleitung) zu und spielt insbesondere bei Fahrzeugen mit einer im Fahrzeugheck verbauten Batterie eine relevante Rolle. Bei den bei einem Motorstart auftretenden Strömen von mehr als 600 A kann bei einer Leitungslänge von 6 m (z. B. Aluminium mit einem Querschnitt von 80 mm² mit spezifischem Widerstand von 0,368 mΩ/m) der Spannungsabfall an der Leitung etwa 1,32 Volt betragen. Dieser Spannungsabfall an der Starterleitung führt zu einem niedrigeren Potential an der Starterklemme. Das Potential an der Starterklemme ist um den Spannungsabfall an der Starterleitung im Vergleich zum Potential am Stromverteiler erniedrigt. Am Stromverteiler, der idealerweise direkt mit den Polen der Batterie verbunden ist, bricht die Spannung um den Spannungsabfall über den Innenwiderstand der Batterie infolge der Hochstromentladung durch den Startvorgang ein. Ein zusätzlicher Spannungsabfall an der zweiten Versorgungleitung und demzufolge eine weitere Reduzierung des Potentials am Stützpunkt ist abhängig von der Stromstärke in der zweiten Versorgungsleitung. Bei einem angenommenen Verbraucherstrom von exemplarisch 60 A liegt das Potential des Stützpunkts bei geöffnetem Relais um etwa 1,18 V höher als das Potential an der Starterklemme bei dem Startstrom von 600 A bei angenommener gleicher Beschaffenheit der beiden Versorgungsleitungen.
Bei einem Bordnetz mit einer Nennspannungslage von 12 Volt erfordern z. B. Steuergeräte oder andere elektrische Verbraucher eine Mindestspannungslage für einen bestimmungsgemäßen Betrieb. Eine solche Mindestspannungslage kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit 9 Volt betragen. Bei einer vollgeladenen Blei-Säure-Batterie mit Nennspannung 12 V, die eine Spannungslage von etwa 13–14 Volt aufweist, und bei einem Startspannungseinbruch (maßgeblich verursacht durch den Innenwiderstand der Batterie) um etwa 4 Volt auf etwa 9–10 Volt zeigt sich, dass ein weiterer Spanungsabfall an einer Leitung um 1 Volt in Bezug auf einige Verbraucher zu einer instabilen Spannungssituation im Bordnetz führen kann. Die Integration einer zweiten, separaten Versorgungsleitung für den Starter sorgt also spannungsstabilisierend ohne den Einsatz von teuren, komplexen Komponenten wie einem Gleichspannungssetzer oder einen zusätzlichen Energiespeicher neben der Batterie. Werden Starter-Versorgungsleitungen und Stützpunkt-Versorgungsleitung mit einem Öffner elektrisch verbunden ergibt sich durch den niedrigeren Gesamtleitungswiderstand eine reduzierte Verlustleistung sowohl im Batterie-Ladebetrieb wie im Lastbetrieb.
Das Öffnen des Relais durch die Schalteinheit erfolgt durch das Modul auf Basis der dem Modul übermittelten Busbotschaften. Wird z. B. eine Anforderung für einen Warmstart an den Starter gestellt, kommt es zu einer Übermittlung dieses Startsignals auch zum Modul. Ein Warmstart ist ein Start des Motors nach einem automatischen Stopp des Motors bei aktivierter Klemme 15 im Rahmen des laufenden Fahrbetriebs bei einer automatischen Start-Stopp-Funktion. Wird zum Beispiel durch Treten der Kupplung durch den Fahrzeugnutzer die Aufforderung zu einem Motorstart gegeben, übermittelt die zentrale Motorelektronik ein Startsignal an den Starter und an das Modul.
Das Modul öffnet das Relais für den Zeitraum des Startvorgangs. Bei einem modernen Verbrennungsmotor und einer Batterie mit einem durchschnittlichen Gesundheitszustand – dem hier adressierten Fachmann als state-of-health bekannt – und einem ausreichenden Ladezustand – dem hier adressierten Fachmann als state-of-charge bekannt – nimmt der Startvorgang nicht mehr als etwa 1 Sekunde in Anspruch.
Das Schließen des Relais, d. h. das Zurückschalten in den standardgemäßen Zustand erfolgt durch das Modul z. B. beim Erreichen einer Mindestdrehzahl durch den Motor. wobei von der Motorelektronik die Drehzahl des Motors an das Modul übermittelt wird. Alternativ kann das Schließen nach einem fest vorgegebenen Zeitraum nach dem Öffnen erfolgen, wobei dieser Zeitraum derart gewählt ist, dass unter gewöhnlichen Umständen die Dauer des Startvorgangs diesen unterschreitet. Zusätzlich kann das Modul infolge der Integration des an der Batterie befindlichen Stromverteilers durch eine Potentialmessung an der Batterie die Spannung an der Batterie ermitteln und das Schließen des Schalters nur beim Überschreiten einer fest vorgegebenen Mindestspannung durchführen. Das Schließen des Relais bei dieser Mindestspannung gewährleistet eine stabile Spannungsversorgung der Verbraucher (4) auch während des Startvorgangs.
Als weiterer Vorteil sorgt das standardmäßig geschlossene Relais für eine Ladbarkeit der Batterie durch den Generator über die beiden Versorgungsleitungen. Dies bedeutet geringere Leitungsverluste infolge eines geringeren Leitungswiderstands im Vergleich zu Architekturen mit nur einer Versorgungsleitung zwischen Batterie, Generator und Starter. Die geringeren Leitungsverluste führen zum Laden der Batterie zu einer reduzierten Leistungsanforderung an den Generator, was einen geringeren Kraftstoffverbrauch und einen verringerten CO₂-Ausstoß nach sich zieht. Das oben genannte Beispiel einer einfachen Aluminiumleitung der Länge L = 6 m mit einem Querschnitt von 80 mm² und einem spezifischem Widerstand von R = 0,368 mΩ/m führt bei einem angenommen Batterieladestrom I von 50 A zu einem Leistungsverlust über der Leitung P gemäß P = R·L·I² in einer Größenordnung von 5 Watt. Durch die weitere Versorgungsleitung ist dieser Wert reduzierbar und würde z. B. durch eine weitere gleichartige Leitung halbiert.
Das Ausführungsbeispiel ist in analoger Weise auf Bordnetze mit mehreren Batterien übertragbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2469070 A1 [0003]
EP 1564862 A1 [0003]

Claims

Fahrzeug mit einen Verbrennungsmotor und mit einem Bordnetz, welches eine Batterie (1), einen Stromverteiler (5), einen Starter (2), einen Generator (3) und elektrische Verbraucher (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug eine erste Versorgungsleitung (6a) umfasst, – die erste Versorgungsleitung den Stromverteiler mit einer Starterklemme (7a) oder mit dem Starter verbindet, – das Fahrzeug eine zweite Versorgungsleitung umfasst, – die zweite Versorgungsleitung (6b) den Stromverteiler mit einem Stützpunkt (7b) verbindet, und – die elektrischen Verbraucher und der Generator mit dem Stützpunkt elektrisch verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug einen Schalter (8) umfasst, der zwischen dem Stützpunkt und der Starterklemme befindlich ist, – das Fahrzeug eine Steuereinheit (9) zur Steuerung des Schalters umfasst, und – der Schalter als ein Öffner ausgeführt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug zumindest ein Steuergerät umfasst, – an das Steuergerät zumindest unidirektional über eine Datenverbindung ein Statussignal zur Anforderung eines Starts übermittelbar ist, – von dem Steuergerät zumindest unidirektional an die Steuereinheit über eine Datenverbindung ein Steuersignal übermittelbar ist, und – das Steuergerät bei einer Startanforderung ein Steuersignal zum Öffnen des Schalters an die Steuereinheit übermittelt.
Fahrzeug nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuereinheit vor einem Start des Motors den Schalter öffnet, und – die Steuereinheit nach einem Start des Motors den Schalter schließt.
Fahrzeug nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass – die Datenverbindung zwischen dem zumindest einem Steuergerät und der Steuereinheit als LIN-Bus ausgeführt ist, und – die Steuereinheit mit einem Prozessor und einem Treiber ausgeführt ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stützpunkt als Fremdstartstützpunkt nutzbar ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuereinheit von dem Stromverteiler umfasst ist.