DE102013008829A1 - motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Kraftfahrzeug, umfassend eine Batterie (1) mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol, einen Kondensator (4), wenigstens einen Verbraucher (2), einen DC/DC Wandler (5) und eine Steuereinrichtung (8), wobei der zumindest eine Verbraucher (2) zwischen den ersten Pol der Batterie (1) und ein Erdpotential (3) geschaltet ist, womit an dem Verbraucher (2) eine Betriebsspannung abfällt, und wobei ein Referenzpotential eines Eingangs (6) und eines Ausgangs (7) des DC/DC Wandlers (5) das Erdpotential (3) ist, wobei in zumindest einem ersten Betriebsmodus der Steuereinrichtung (8) der Kondensator (4) mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Pol der Batterie (1) und mit einem zweiten Anschluss mit dem Erdpotential (3) und der DC/DC Wandler (5) mit dem Eingang (6) mit dem ersten Pol der Batterie (1) und mit dem Ausgang (7) mit dem zweiten Pol der Batterie (1) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (8) den DC/DC Wandler (5) derart ansteuert, dass Strom zwischen dem Eingang (6) und dem Ausgang (7) des DC/DC Wandlers (5) fließt.Motor vehicle, comprising a battery (1) with a first pole and a second pole, a capacitor (4), at least one consumer (2), a DC / DC converter (5) and a control device (8), the at least one consumer (2) is connected between the first pole of the battery (1) and a ground potential (3), with which an operating voltage drops at the consumer (2), and a reference potential of an input (6) and an output (7) of the DC / DC converter (5) is the earth potential (3), the capacitor (4) having at least a first connection to the second pole of the battery (1) and having a second connection to the earth potential (3) in at least a first operating mode of the control device (8). 3) and the DC / DC converter (5) is connected to the input (6) with the first pole of the battery (1) and with the output (7) to the second pole of the battery (1), the control device (8 ) controls the DC / DC converter (5) such that current between the input (6) and the output (7) of the DC / DC converter (5) flows.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend eine Batterie mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol, einen Kondensator, wenigstens einen Verbraucher, einen DC/DC Wandler und eine Steuereinrichtung wobei der zumindest eine Verbraucher zwischen den ersten Pol der Batterie und ein Erdpotential geschaltet ist, womit an dem Verbraucher eine Betriebsspannung abfällt, und wobei ein Referenzpotential eines Eingangs und eines Ausgangs des DC/DC Wandlers das Erdpotential ist.The invention relates to a motor vehicle comprising a battery having a first pole and a second pole, a capacitor, at least one consumer, a DC / DC converter and a control device, wherein the at least one consumer is connected between the first pole of the battery and a ground potential, whereby at the load an operating voltage drops, and wherein a reference potential of an input and an output of the DC / DC converter is the ground potential.
In aktuellen Fahrzeugen liegt der nutzbare Bordnetzspannungsbereich bei laufendem Motor im Bereich zwischen 13 und 15 Volt. Diese Spannung wird durch die Batteriespannung, die normalerweise durch einen Bleiakkumulator bereitgestellt wird und die ladungszustandsabhängig im unbelasteten Zustand zwischen ca. 11,5 und 13 Volt liegt, und einer zusätzlichen Spannung, die bei Motorlauf durch den Generator, beispielsweise einen Startergenerator, bereitgestellt.In current vehicles, the usable vehicle electrical system voltage range with the engine running is in the range between 13 and 15 volts. This voltage is provided by the battery voltage, which is normally provided by a lead-acid battery and which is charge state dependent in the unloaded state between about 11.5 and 13 volts, and an additional voltage provided by the generator, such as a starter generator, during engine run.
Läuft nun der Motor nicht, so steht im Bordnetz nur eine geringere Spannung zur Verfügung. Diese Spannung kann weiter sinken, wenn im Bordnetz ein oder mehrere Verbraucher betrieben werden, die einen hohen Stromverbrauch haben. Es ist beispielsweise möglich, dass bei Kraftfahrzeugen mit Start/Stoppautomatik beim Wiederstarten des Motors hohe Ströme im Bereich von mehreren 100 Ampere fließen. Unter diesen Bedingungen kann die Batteriespannung und damit die im Bordnetz zur Verfügung stehende Spannung auf Spannungen von weniger als 6 Volt fallen.If the engine does not run, only a lower voltage is available in the electrical system. This voltage can continue to fall if one or more consumers are operated in the vehicle electrical system, which have a high power consumption. It is possible, for example, for automobiles with automatic start / stop to start high currents in the range of several 100 amperes when the motor restarts. Under these conditions, the battery voltage and thus the available voltage in the electrical system can fall to voltages of less than 6 volts.
Um Spannungseinbrüche bei solchen kurzzeitigen Belastungen auf einer Zeitskala von wenigen 100 Millisekunden zu kompensieren wird in der Druckschrift
In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch wünschenswert, die Spannung eines Bordnetzes über längere Zeiträume, insbesondere Zeiträume von mehr als einer Sekunde anzuheben beziehungsweise zu stabilisieren. So können einige Verbraucher in modernen Kraftfahrzeugen, wie Komponenten von Katalysator, Lenkung und Fahrassistenzsystemen, nur in einem relativ schmalen Spannungsbereich zuverlässig funktionieren. Insbesondere beim Fahren mit abgestelltem Motor kann für solche Systeme häufig keine ausreichende Spannung zur Verfügung gestellt werden, da das Bordnetz nicht durch den Generator unterstützt wird. In diesen Fällen kann es notwendig sein, den Motor frühzeitig wieder zu starten, was zu einer Effizienzsenkung des Kraftfahrzeugs führt. Alternativ müssen einzelne Funktionen des Kraftfahrzeugs stillgelegt werden, was zumindest zu einer Verschlechterung des Fahrkomforts führt. Soll dies vermieden werden, wäre eine Stabilisierung der Spannungsversorgung der einzelnen Komponenten notwendig, was jedoch sehr aufwendig ist.In many applications, however, it is desirable to increase or stabilize the voltage of a vehicle electrical system for longer periods of time, in particular periods of more than one second. Thus, some consumers in modern motor vehicles, such as components of catalyst, steering and driver assistance systems, can only function reliably in a relatively narrow voltage range. In particular, when driving with the engine off, sufficient power can often not be made available for such systems since the onboard power supply is not supported by the generator. In these cases, it may be necessary to restart the engine early, resulting in a reduction in the efficiency of the motor vehicle. Alternatively, individual functions of the motor vehicle must be shut down, which leads at least to a deterioration of ride comfort. If this is to be avoided, a stabilization of the power supply of the individual components would be necessary, which is very expensive.
Auch bei dem Antrieb eines Kraftfahrzeugs durch einen Elektromotor beziehungsweise bei der Unterstützung eines Verbrennungsmotors durch einen Elektromotor kann es vorteilhaft sein, die Spannung des Bordnetzes anzuheben, da in diesem Fall größere Spannungen am Elektromotor zur Verfügung gestellt werden können, wodurch insbesondere ein größeres Drehmoment des Motors erreicht werden kann.Even with the drive of a motor vehicle by an electric motor or in the support of an internal combustion engine by an electric motor, it may be advantageous to raise the voltage of the electrical system, since in this case greater voltages can be provided to the electric motor, which in particular a larger torque of the engine can be achieved.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem eine Erhöhung der Bordnetzspannung ohne Betrieb eines Generators über längere Zeiträume möglich ist.The invention is thus based on the object of specifying a motor vehicle in which an increase in the vehicle electrical system voltage without operation of a generator over longer periods is possible.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Fahrzeug der eingangs genannten Art in zumindest einem ersten Betriebsmodus der Steuerungseinrichtung der Kondensator mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Pol der Batterie und mit einem zweiten Anschluss mit dem Erdpotential und der DC/DC Wandler mit dem Eingang mit dem ersten Pol der Batterie und mit dem Ausgang mit dem zweiten Pol der Batterie verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung den DC/DC Wandler derart ansteuert, dass Strom zwischen dem Eingang und dem Ausgang des DC/DC Wandlers fließt.The object is achieved in that in a vehicle of the type mentioned in at least a first operating mode of the control device, the capacitor with a first terminal to the second pole of the battery and a second terminal to the ground potential and the DC / DC converter with the Input is connected to the first pole of the battery and the output to the second pole of the battery, wherein the control means controls the DC / DC converter such that current flows between the input and the output of the DC / DC converter.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, auch während der Serienschaltung des Kondensators mit der Batterie zusätzlich einen DC/DC Wandler, der zwischen die Pole der Batterie geschaltet ist, zu betreiben. Abhängig von der Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers und der am Kondensator abfallenden Spannung führt dies zu unterschiedlichen Stromflüssen. Ist der Kondensator relativ weit entladen, das heißt es fällt eine geringe Spannung am Kondensator ab, so kann der DC/DC Wandler eine Ausgangsspannung aufweisen, die größer ist als die am Kondensator abfallende Spannung. In diesem Fall wird trotz Serienschaltung des Kondensators mit der Batterie der Kondensator durch den DC/DC Wandler geladen. Nach einer gewissen Übergangszeit, die zum Laden des Kondensators notwendig ist, ist die am Kondensator abfallende Spannung und die Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers gleich. Wird nun beispielsweise der DC/DC Wandler mit einer konstanten Ausgangsspannung betrieben, so ist auch die am Kondensator abfallende Spannung und damit der Ladezustand des Kondensators konstant.The invention is based on the idea, during the series connection of the capacitor with the battery additionally a DC / DC converter, which is connected between the poles of the battery to operate. Depending on the output voltage of the DC / DC converter and the voltage drop across the capacitor, this leads to different current flows. If the capacitor is relatively far discharged, that is, it falls from a low voltage across the capacitor, the DC / DC converter may have an output voltage which is greater than the voltage dropping across the capacitor. In this case, despite series connection of the capacitor with the battery, the capacitor is charged by the DC / DC converter. After a certain transition time, which is necessary to charge the capacitor, the voltage drop across the capacitor and the output voltage of the DC / DC converter is the same. If, for example, the DC / DC converter is operated with a constant output voltage, then the voltage dropped across the capacitor and thus the state of charge of the capacitor is also constant.
Beim aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur kurzfristen Anhebung einer Batteriespannung mit Hilfe eines in Serie geschalteten Kondensators wird der Kondensator, sobald er in Serie mit der Batterie geschaltet wird, entladen. Mit dem Entladen des Kondensators sinkt jedoch zugleich die am Kondensator abfallende Spannung, weshalb nur eine Erhöhung der Bordnetzspannung für ein kurzes Zeitintervall möglich ist, insbesondere da die Kapazität des Kondensators üblicherweise weitaus kleiner ist als die der Batterie. Im erfindungsgemäßen Verfahren bleibt der Ladezustand des Kondensators jedoch bei einer gleichmäßigen Last an der Batterie und einem festen Wandlungsverhältnis des DC/DC Konverters konstant. Damit kann eine Erhöhung der Bordnetzspannung für beliebige Zeiten erfolgen, solange die Batterie Strom zur Verfügung stellt. In the known from the prior art method for short-term increase of a battery voltage by means of a series-connected capacitor, the capacitor, as soon as it is connected in series with the battery, discharged. With the discharge of the capacitor, however, at the same time decreases the voltage dropping across the capacitor, which is why only an increase of the vehicle electrical system voltage for a short time interval is possible, especially since the capacitance of the capacitor is usually far smaller than that of the battery. In the method according to the invention, however, the charge state of the capacitor remains constant with a uniform load on the battery and a fixed conversion ratio of the DC / DC converter. This allows an increase in the vehicle electrical system voltage for any times, as long as the battery provides power.
Es ist anzumerken, dass die Beschreibung des Ladezustands des Kondensators als konstant selbstverständlich nur bei einer Mittelung über zumindest einen Schaltzyklus des DC/DC Wandlers zutreffend ist. DC/DC Wandler umfassen einen oder mehrere Schalter, die eine hochfrequente Wechselspannung erzeugen. Diese wird üblicherweise über Induktivitäten und Kapazitäten im DC/DC Wandler geglättet, wobei zudem abhängig vom Wandlertyp noch Dioden zum Gleichrichten der Spannung an bestimmten Punkten zum Einsatz kommen. Die Schaltfrequenzen von DC/DC Wandlern sind häufig im mehrstelligen Kilohertz-Bereich. Dies bedeutet wiederum, dass der Kondensator auf einer Zeitskala von einigen zehn bis einigen 100 ms geladen und entladen wird, die mittlere Spannung jedoch konstant bleibt.It should be noted that the description of the state of charge of the capacitor as constant, of course, only applies when averaging over at least one switching cycle of the DC / DC converter. DC / DC converters include one or more switches that generate a high frequency AC voltage. This is usually smoothed via inductors and capacitors in the DC / DC converter, whereby, in addition, depending on the type of converter, diodes are still used to rectify the voltage at certain points. The switching frequencies of DC / DC converters are often in the multi-digit kilohertz range. This in turn means that the capacitor is charged and discharged on a time scale of a few tens to a few 100 ms, but the average voltage remains constant.
Insgesamt wird der Batteriestrom also sowohl durch den Kondensator als auch durch den DC/DC Wandler transportiert. Dabei ist anzumerken, dass durch die Spulen und Kondensatoren des DC/DC Wandlers und den Kondensator, der mit der Batterie in Serie geschaltet ist, zwar große Ströme fließen und zugleich Spannungen abfallen, der Spannungsabfall gegenüber dem Strom jedoch jeweils phasenverschoben ist, so dass an den Spulen beziehungsweise Kondensatoren im wesentlichen keine Leistung dissipiert wird.Overall, the battery current is thus transported through both the capacitor and the DC / DC converter. It should be noted that while the coils and capacitors of the DC / DC converter and the capacitor, which is connected in series with the battery, although large currents flow and at the same time drop voltages, the voltage drop relative to the current is in each case phase-shifted, so that the coils or capacitors is dissipated substantially no power.
Als Batterie kann im erfindungsgemäßen Verfahren jegliche Art von Energiespeicher genutzt werden. Als Kondensator können insbesondere auch Superkondensatoren, beispielsweise Doppelschichtkondensatoren oder Pseudokondensatoren, genutzt werden. Als DC/DC Wandler kann beispielsweise ein Abwärtswandler genutzt werden. Die Ausgangsspannung eines Abwärtswandlers kann abhängig vom Pulsbreitenverhältnis, also dem Verhältnis der Zeiten zwischen den zwei Schaltzuständen innerhalb eines Schaltzyklusses des DC/DC Wandlers, zwischen der Eingangsspannung und 0 Volt eingestellt werden. Die Pulsbreite kann entweder direkt durch eine Pulsweitenmodulation durch die Steuereinrichtung oder von durch die Steuereinrichtung gesteuerten Komponenten erfolgen, es kann aber auch ein strom- oder spannungsgeregelter DC/DC Wandler genutzt werden, wodurch eine direkte Vorgabe der Ausgangsspannung möglich ist.As a battery any kind of energy storage can be used in the process according to the invention. Supercapacitors, for example double-layer capacitors or pseudocapacitors, can be used in particular as a capacitor. As a DC / DC converter, for example, a buck converter can be used. The output voltage of a buck converter can be adjusted between the input voltage and 0 volt depending on the pulse width ratio, ie the ratio of the times between the two switching states within a switching cycle of the DC / DC converter. The pulse width can be done either directly by a pulse width modulation by the controller or by the controller controlled components, but it can also be a current or voltage controlled DC / DC converter can be used, whereby a direct specification of the output voltage is possible.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den DC/DC Wandler so zu regeln, dass die Summe der DC/DC Wandlerspannung und der Batteriespannung konstant ist.Of course, it is also possible to regulate the DC / DC converter so that the sum of the DC / DC converter voltage and the battery voltage is constant.
Beispielsweise kann der DC/DC Wandler eine variable Ausgangsspannung im Bereich von einigen 100 mV bis zu 3 bis 4 Volt liefern, wobei der DC/DC Wandler so gesteuert werden kann, dass die Ausgangsspannung sowohl bei einem niedrigen Ladestand der Batterie und damit einer geringeren Batteriespannung als auch bei einer hohen Batterielast und damit einer Absenkung der Batteriespannung durch den Innenwiderstand der Batterie erhöht wird.For example, the DC / DC converter can provide a variable output voltage in the range of several 100 mV to 3 to 4 volts, the DC / DC converter can be controlled so that the output voltage at both a low battery level and thus a lower battery voltage as well as at a high battery load and thus a lowering of the battery voltage is increased by the internal resistance of the battery.
Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist es damit möglich, den Spannungsbereich des Bordnetzes bei geringem zusätzlichen Energieverbrauch und geringem zusätzlichem Bauvolumen und Gewicht in einem weiten Spannungsbereich nahezu beliebig zu variieren.In the motor vehicle according to the invention it is thus possible to vary the voltage range of the electrical system with little additional energy consumption and low additional volume and weight in a wide voltage range almost arbitrarily.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist es möglich, dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung einer Schaltereinrichtung ausgebildet ist, die den zweiten Pol der Batterie in dem ersten Betriebsmodus mit dem DC/DC Wandler und dem ersten Anschluss des Kondensators und in zumindest einem zweiten Betriebsmodus mit dem Erdpotential verbindet. Eine solche Schaltung führt dazu, dass im weiten Betriebsmodus die Batterie wie in konventionellen Fahrzeugen direkt zwischen Erdpotential und Bordnetz geschaltet ist. Wird beispielsweise bei Betrieb eines Verbrennungsmotors durch Betrieb eines Generators ausreichend zusätzliche Spannung für das Bordnetz zur Verfügung gestellt, kann mit dieser Schaltung ein Stromtransport durch den DC/DC Wandler vermieden werden, wodurch es möglich ist, den Gesamtinnenwiderstand der Spannungsversorgung des Kraftfahrzeugs zu reduzieren, wodurch eine größere Effizienz erreicht wird. Zugleich kann im zweiten Betriebsmodus der DC/DC Wandler zum Laden des Kondensators genutzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Kondensator eine besonders große Kapazität aufweist, beispielsweise wenn er als Hybridkondensator ausgebildet ist, wobei in diesem Fall beispielsweise beim Bremsen zurückgewonnene Energie im Kondensator gespeichert werden kann. Ist bei einem Wechsel in den ersten Betriebsmodus bereits Energie im Kondensator gespeichert, so muss weniger Strom durch den DC/DC Wandler zur Verfügung gestellt werden, wodurch die Batterie weniger belastet und Strom gespart wird.In a further development of the motor vehicle according to the invention, it is possible for the control device to be designed to drive a switch device which connects the second pole of the battery in the first operating mode with the DC / DC converter and the first terminal of the capacitor and in at least one second operating mode Earth potential connects. Such a circuit means that in the wide operating mode, the battery is connected directly between ground potential and electrical system, as in conventional vehicles. If, for example, when operating an internal combustion engine by operation of a generator sufficient additional voltage for the electrical system provided, with this circuit a current transport through the DC / DC converter can be avoided, whereby it is possible to reduce the total internal resistance of the power supply of the motor vehicle, thereby greater efficiency is achieved. At the same time, in the second operating mode, the DC / DC converter can be used to charge the capacitor. This is particularly advantageous when the capacitor has a particularly large capacity, for example when it is designed as a hybrid capacitor, in which case, for example, energy recovered during braking can be stored in the capacitor. If energy is already stored in the capacitor during a change to the first operating mode, then less current has to be fed through the DC / DC converter Be made available, whereby the battery is less loaded and power saved.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zum Betrieb im ersten Betriebsmodus für eine Betriebszeit für mindestens eine Sekunde, insbesondere mindestens 5 Sekunden, im Speziellen mindestens 30 Sekunden ausgebildet ist. Wie bereits erläutert ist der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, dass eine Erhöhung der Bordnetzspannung prinzipiell für beliebige Zeiten möglich ist. Während es selbstverständlich auch möglich ist, den ersten Betriebsmodus nur für kurzzeitige starke Belastungen, wie beispielsweise ein Starten des Motors, zu nutzen, ist es durch einen längeren Betrieb im ersten Betriebsmodus beispielsweise möglich, bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs mit abgeschalteten Motor zuverlässig Systemkomponenten zu versorgen, die eine gewisse Mindestspannung erfordern, oder die Betriebsspannung eines Elektromotors während eines längeren Beschleunigungsintervalls zu erhöhen. Prinzipiell ist es auch möglich, das Kraftfahrzeug während der gesamten Betriebszeit im ersten Betriebsmodus zu betreiben. Insbesondere bei der Nutzung von Bleiakkumulatoren kann es jedoch vorteilhaft sein, die Steuereinrichtung zumindest zeitweise in dem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, da aufgrund der üblicherweise deutlich größeren Kapazität der Batterie gegenüber dem Kondensator und der Lade-/Entladehysterese von Bleiakkumulatoren ein Überladen des Kondensators beim Laden der Batterie sonst nur mit großem Aufwand zu vermeiden wäre.It is particularly advantageous if the control device is designed for operation in the first operating mode for an operating time of at least one second, in particular at least 5 seconds, in particular at least 30 seconds. As already explained, the essential advantage of the motor vehicle according to the invention is that an increase in the vehicle electrical system voltage is possible in principle for any desired times. While it is of course also possible to use the first mode of operation only for short-term heavy loads, such as starting the engine, it is possible for example by a longer operation in the first operating mode to reliably supply system components in an operation of the motor vehicle with the engine off that require a certain minimum voltage, or to increase the operating voltage of an electric motor during a longer acceleration interval. In principle, it is also possible to operate the motor vehicle during the entire operating time in the first operating mode. In particular, when using lead-acid batteries, however, it may be advantageous to operate the control device at least temporarily in the second operating mode, since due to the usually much larger capacity of the battery compared to the capacitor and the charge / discharge hysteresis of lead-acid batteries overcharging of the capacitor when charging the Battery would otherwise be avoided only with great effort.
Auf besonders einfache Art kann eine dauerhafte Erhöhung der Spannung im Bordnetz erreicht werden, wenn die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des DC/DC Wandlers ausgebildet ist, derart, dass die am Kondensator abfallende Spannung, gemittelt über einen Schaltzyklus des DC/DC Wandlers, über die Betriebszeit im Wesentlichen konstant ist.In a particularly simple way, a permanent increase in the voltage in the electrical system can be achieved if the control device is designed to control the DC / DC converter, such that the voltage drop across the capacitor, averaged over a switching cycle of the DC / DC converter, over the operating time is essentially constant.
Üblicherweise werden DC/DC Wandler nicht direkt über eine Pulswelle mit variablem Pulsweitenverhältnis, deren Pulsweitenverhältnis direkt das Verhältnis zwischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen bestimmt, gesteuert, sondern über eine digital oder analog vorgegebene Referenzspannung. Für diese Regelschleife wird üblicherweise eine Stromkontrolle oder eine Spannungskontrolle genutzt, die sich in der Art des Rückkoppelkreises unterscheiden. Wird auf diese Art und Weise die Ausgangsspannung des DC/DC Konverters auf einen konstanten Wert geregelt, so führt dies dazu, dass auch stets die gleiche Spannung zwischen dem Erdpotential und dem Ausgang des DC/DC Wandlers und damit an dem Kondensator abfällt. Damit ist die Ladung des Kondensators konstant. Bei Serienschaltung dieses Kondensators mit der Batterie wird damit die Bordnetzspannung um den Wert erhöht, der am Ausgang des DC/DC Wandlers ausgegeben wird.Usually, DC / DC converters are not directly controlled by a pulse width with a variable pulse width ratio whose pulse width ratio directly determines the ratio between input voltages and output voltages, but via a digital or analog predetermined reference voltage. For this control loop usually a current control or a voltage control is used, which differ in the type of feedback circuit. If, in this way, the output voltage of the DC / DC converter is regulated to a constant value, this leads to the fact that always the same voltage between the ground potential and the output of the DC / DC converter and thus at the capacitor drops. Thus, the charge of the capacitor is constant. When this capacitor is connected in series with the battery, this increases the vehicle electrical system voltage by the value that is output at the output of the DC / DC converter.
Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des DC/DC Wandlers ausgebildet ist, derart, dass im ersten Betriebsmodus die Betriebsspannung gemittelt über einen Schaltzyklus des DC/DC Wandlers im Wesentlichen unabhängig vom durch den Verbraucher fließenden Verbraucherstrom konstant ist, solange der Verbraucherstrom eine vorgegebene oder vorgebbare Stromgrenze nicht übersteigt. In diesem Fall kann beispielsweise ein Regelkreis genutzt werden, der als Eingangsspannung die Bordnetzspannung oder eine von der Bordnetzspannung abgeleitete Spannung aufnimmt, diese mit dem Sollwert, der durch eine Referenzspannung vorgegeben ist, vergleicht, und als Steuergröße entweder eine Spannung für einen Regelkreis des DC/DC Wandlers oder ein Pulsweitenverhältnis für den DC/DC Wandler vorgibt. Eine solche Steuerung kann selbstverständlich auch digital erfolgen. So kann die Bordnetzspannung entweder direkt oder mit Hilfe eines Spannungsteilers einem Analog-Digitalwandler zugeführt werden, der Messwert anschließend intern mit einem digital vorliegenden Sollwert für die Bordnetzspannung verglichen werden und anschließend entweder über einen Digital-Analogwandler eine Sollspannung für den DC/DC Wandler ausgegeben werden oder der DC/DC Wandler direkt durch einen digitalen Ausgang der eine pulsweitenmodulatierte Spannung ausgibt, gesteuert werden. Dem Fachmann erschließen sich jedoch auch zahlreiche weitere Ausführungsformen zur Regelung der Bordnetzspannung beziehungsweise der am Kondensator abfallenden Spannung.Alternatively, it is possible for the control device to be designed to control the DC / DC converter, such that in the first operating mode the operating voltage averaged over a switching cycle of the DC / DC converter is essentially independent of the load current flowing through the load, as long as the load current does not exceed a predetermined or specifiable current limit. In this case, for example, a control loop can be used, which receives the vehicle electrical system voltage or a voltage derived from the vehicle electrical system voltage as input voltage, compares this with the desired value, which is predetermined by a reference voltage, and as a control variable, either a voltage for a control circuit of the DC / DC converter or a pulse width ratio for the DC / DC converter specifies. Of course, such control can also be digital. Thus, the vehicle electrical system voltage can be fed either directly or with the aid of a voltage divider to an analog-to-digital converter, the measured value are then internally compared with a digitally present setpoint for the vehicle electrical system voltage and then either via a digital-to-analog converter, a target voltage for the DC / DC converter or the DC / DC converter is directly controlled by a digital output which outputs a pulse width modulated voltage. However, the skilled person will also be aware of numerous other embodiments for controlling the vehicle electrical system voltage or the voltage drop across the capacitor.
In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfasst die Steuereinrichtung einen Regler zur Regelung der am Kondensator abfallenden Spannung oder der Betriebsspannung durch Ansteuerung des DC/DC Wandlers, der ein Proportional- und/oder ein Integral- und/oder ein Differentialglied umfasst. Es kann sich beim Regler in der Steuereinrichtung sowohl um einen analogen Regler handeln, als auch um einen digitalen Regler. Ein besonders einfacher Aufbau ist dann möglich, wenn die Steuereinrichtung einen digital implementierten Regelkreis umfasst und dieser direkt als Quelle für die den DC/DC Wandler schaltende Pulswelle dient. Selbstverständlich kann die Steuereinrichtung jedoch auch digital oder analog Sollwerte über einen getrennten Regelkreis des DC/DC Wandlers, insbesondere zur Strom- oder Spannungssteuerung, zur Verfügung stellen.In an advantageous embodiment of the motor vehicle according to the invention, the control device comprises a regulator for controlling the voltage dropping across the capacitor or the operating voltage by controlling the DC / DC converter, which comprises a proportional and / or an integral and / or differential element. The controller in the control device can be both an analog controller and a digital controller. A particularly simple construction is possible if the control device comprises a digitally implemented control circuit and this directly serves as a source for the pulse wave switching the DC / DC converter. Of course, however, the control device can also provide digital or analog setpoints via a separate control circuit of the DC / DC converter, in particular for current or voltage control.
Besonders vorteilhaft ist der DC/DC Wandler ein Abwärtswandler oder ein Synchronwandler. Da die Bordspannung nur um wenige Volt angehoben werden soll, am Eingang des DC/DC Wandlers im einfachsten Fall jedoch die Spannung des Bordnetzes selbst anliegt, die sich typischerweise im zweistelligen Voltbereich befindet, muss im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug nur eine Konvertierung von höheren Spannungen zu niedrigeren Spannungen erfolgen. Damit ist ein besonders einfacher Aufbau des DC/DC Wandlers möglich. Synchronwandler haben insbesondere den Vorteil, dass sie gegenüber einfachen Abwärtswandlern eine höhere Effizienz aufweisen können. Selbstverständlich können auch eine Vielzahl weiterer Wandlertypen genutzt werden. Insbesondere bei der Nutzung von Kondensatoren mit großer Kapazität, wie beispielsweise Doppelschicht- oder Hybridkondensatoren, kann es vorteilhaft sein, diese beim Abstellen des Kraftfahrzeugs wieder zu entladen und die Energie des Kondensators zum Wiederaufladen der Batterie zu nutzen. Hierfür können bidirektionale DC/DC Wandler genutzt werden.Particularly advantageous is the DC / DC converter is a buck converter or a synchronous converter. Since the on - board voltage should only be increased by a few volts, at the input of the DC / DC converter in the simplest case, however, the voltage of the Vehicle electrical system itself is applied, which is typically in the two-digit voltage range, must be done in the motor vehicle according to the invention only a conversion of higher voltages to lower voltages. This makes a particularly simple construction of the DC / DC converter possible. Synchronous converters have the particular advantage that they can have a higher efficiency compared to simple buck converters. Of course, a variety of other types of transducers can be used. In particular, when using capacitors with a large capacity, such as double-layer or hybrid capacitors, it may be advantageous to recharge them when parking the motor vehicle and to use the energy of the capacitor to recharge the battery. For this bidirectional DC / DC converters can be used.
Die Batterie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kann beispielsweise ein Blei-Akkumulator sein. Blei-Akkumulatoren werden in nahezu allen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren als Energiespeicher genutzt. Sie bieten zahlreiche Vorteile, wie hohe Entladeströme, große Verfügbarkeit und günstigen Preis.The battery of the motor vehicle according to the invention may be, for example, a lead-acid battery. Lead-acid batteries are used in almost all vehicles with internal combustion engines as energy storage. They offer numerous advantages, such as high discharge rates, high availability and low price.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug sein, wobei der Verbraucher oder einer der Verbraucher ein Elektromotor oder ein Startergenerator ist, wobei die Steuereinrichtung beim Beschleunigen oder Anfahren in dem ersten Betriebsmodus ist oder in diesen wechselt, wobei die Betriebsspannung durch Serienschaltung von Kondensator und Batterie erhöht ist, wodurch das maximale Drehmoment des Elektromotors oder des Startergenerators erhöht ist. Häufig ist es gewünscht, die Leistung eines Kraftfahrzeugs in einem kurzen Zeitraum von wenigen Sekunden, beispielsweise zum Überholen eines anderen Kraftfahrzeugs, zu erhöhen. Zudem ist es in Hybridfahrzeugen häufig gewünscht, dass bei Beschleunigungsvorgängen, insbesondere aus dem Stand, das Drehmoment eines Verbrennungsmotors durch einen Elektromotor erhöht wird, um eine bessere Beschleunigung zu erreichen. Es ist also in zahlreichen Fahrsituationen gewünscht, kurzfristig das Drehmoment eines Elektromotors zu erhöhen.The motor vehicle according to the invention may be a hybrid or electric vehicle, the consumer or one of the consumers being an electric motor or a starter generator, the control device being in or switching to the first operating mode during acceleration or starting, the operating voltage being connected in series by capacitor and Battery is increased, whereby the maximum torque of the electric motor or the starter generator is increased. Often it is desired to increase the power of a motor vehicle in a short period of a few seconds, for example, to overtake another motor vehicle. In addition, it is often desired in hybrid vehicles that during acceleration processes, in particular from the state, the torque of an internal combustion engine is increased by an electric motor in order to achieve a better acceleration. It is therefore desired in numerous driving situations to increase the torque of an electric motor in the short term.
Viele Elektromotoren können zumindest kurzfristig mit einer Spannung betrieben werden, die deutlich höher als die im Bordnetz zur Verfügung stehende Spannung ist. Eine Erhöhung der Betriebsspannung des Elektromotors führt jedoch insbesondere im mittleren Drehzahlbereich zu einer deutlichen Anhebung des zur Verfügung stehenden Drehmoments. So kann in einigen Drehzahlbereichen bereits eine Steigerung der am Motor anliegenden Spannung um 3–4 Volt zu einer Verdopplung des Drehmoments führen. Wie vorangehend erläutert, ist es im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug leicht möglich, die Bordnetzspannung für Zeiträume von mehreren Sekunden zu erhöhen. Damit ist es im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auch leicht möglich, das Drehmoment eines Elektromotors zu erhöhen, um eine bessere Beschleunigung zu erreichen.Many electric motors can be operated at least in the short term with a voltage that is significantly higher than the voltage available in the electrical system. An increase in the operating voltage of the electric motor, however, leads in particular in the middle speed range to a significant increase in the available torque. Thus, in some speed ranges, an increase of the voltage applied to the motor by 3-4 volts can already lead to a doubling of the torque. As explained above, it is easily possible in the motor vehicle according to the invention to increase the vehicle electrical system voltage for periods of several seconds. Thus, it is also easily possible in the motor vehicle according to the invention to increase the torque of an electric motor in order to achieve a better acceleration.
Es ist auch möglich, dass die Steuereinrichtung oder eine Überwachungseinrichtung die Batteriespannung überwacht und bei einem Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Minimalspannung die Steuereinrichtung in den ersten Betriebsmodus wechselt. Für eine Absenkung der Batteriespannung gibt es beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs zahlreiche Gründe. Es existiert ein, typischerweise im Wesentlichen linearer, Zusammenhang zwischen dem Ladezustand der Batterie und der Batteriespannung. Ein relativ tiefer Ladezustand der Batterie kann also dazu führen, dass keine ausreichende Spannung für einige der Fahrzeugkomponenten zur Verfügung steht, und dass diese damit nicht erwartungsgemäß funktionieren. Dieses kann im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug dadurch vermieden werden, dass die Steuereinrichtung bei einem Absinken der Batteriespannung in den ersten Betriebsmodus wechselt, in dem die Spannung im Bordnetz zusätzlich durch das in Serie schalten eines Kondensators und den Betrieb des DC/DC Wandlers erhöht wird.It is also possible for the control device or a monitoring device to monitor the battery voltage and to change the control device into the first operating mode when the voltage falls below a predetermined or predefinable minimum voltage. There are numerous reasons for lowering the battery voltage when operating a motor vehicle. There is a, typically substantially linear, relationship between the state of charge of the battery and the battery voltage. Thus, a relatively low state of charge of the battery may result in insufficient voltage being available for some of the vehicle components and that they may not function as expected. This can be avoided in the motor vehicle according to the invention in that the control device changes in a fall in the battery voltage in the first operating mode in which the voltage in the electrical system is additionally increased by the series connection of a capacitor and the operation of the DC / DC converter.
Ein Absinken der Batteriespannung kann beispielsweise auch dadurch verursacht werden, dass einzelne Verbraucher mit einem sehr hohen Stromverbrauch von der Batterie versorgt werden müssen. Dies ist beispielsweise beim Betrieb eines Startergenerators oder eines Elektromotors der Fall, es können jedoch auch andere Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise eine elektrische Federeinstellung oder ähnliches zu einem kurzzeitigen Anstieg des Stromverbrauchs führen. Während ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug auch so ausgebildet sein kann, dass beim Betrieb bestimmter Komponenten automatisch in den ersten Betriebsmodus geschaltet wird, ist es dennoch vorteilhaft, eine Überwachungsvorrichtung für die Batteriespannung zu nutzen, da damit ohne besonderen Aufwand eine Vielzahl von Situationen aufgefangen werden können, in denen die Batteriespannung und damit die Bordnetzspannung in einem Kraftfahrzeug sinkt.A drop in the battery voltage can also be caused, for example, that individual consumers must be supplied with a very high power consumption of the battery. This is the case, for example, in the operation of a starter generator or an electric motor, however, other vehicle components, such as an electric spring adjustment or the like, can lead to a short-term increase in power consumption. While a motor vehicle according to the invention may also be configured such that when certain components are automatically switched to the first operating mode, it is nevertheless advantageous to use a monitoring device for the battery voltage, since a large number of situations can be absorbed without any special effort where the battery voltage and thus the vehicle electrical system voltage drops in a motor vehicle.
Des Weiteren ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug eine Funktion zum Fahren mit stillgelegtem Motor aufweist und die Steuereinrichtung beim Fahren mit stillgelegtem Motor in dem ersten Betriebsmodus ist oder in diesen wechselt. Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise einen Generator auf, der bei laufendem Motor betrieben wird und dem Kraftfahrzeug elektrische Energie zur Verfügung stellt. Typischerweise ist dieser Generator parallel zur Batterie geschaltet. Der Generator kann beispielsweise eine Spannung in das Bordnetz einspeisen, die größer ist als die Batteriespannung. In diesem Fall werden die Fahrzeugkomponenten vollständig durch den Generator versorgt und die Batterie wird zudem geladen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Generator eine Spannung bereitstellt, die ungefähr gleich der Batteriespannung ist. In diesem Fall wird durch die parallele Schaltung von Generator und Batterie effektiv eine gemeinsame Stromquelle gebildet, die einen geringeren Innenwiderstand aufweist, als die Batterie. Damit sinkt auch bei großem Verbrauch im Bordnetz die Ausgangsspannung dieser gemeinsamen Energieversorgung weniger als bei einem reinen Batteriebetrieb.Furthermore, it is possible for the motor vehicle to have a function for driving with the engine stopped and for the control device to be in the first operating mode when driving with the engine stopped or to change into the same. Motor vehicles usually have a generator which is operated with the engine running and provides the motor vehicle with electrical energy available. Typically, this generator is connected in parallel to the battery. The generator can, for example, feed a voltage into the electrical system, which is larger as the battery voltage. In this case, the vehicle components are completely powered by the generator and the battery is also charged. However, it is also possible that the generator provides a voltage that is approximately equal to the battery voltage. In this case, the parallel circuit of generator and battery effectively forms a common power source having a lower internal resistance than the battery. Thus, even with large consumption in the electrical system, the output voltage of this common power supply less than in a pure battery operation.
Bei einem Fahren mit stillgelegtem Motor kann der Generator jedoch nicht unterstützend für die Batterie wirken. Zudem müssen möglicherweise zusätzliche Fahrzeugsysteme, die ansonsten von dem Motor betrieben werden, elektrisch betrieben werden, beispielsweise Bremskraftverstärker oder Heizungen. Dadurch wird beim Fahren mit stillgelegtem Motor die Batterie stärker belastet. Zudem stellt ein typischer Blei-Akkumulator in Kraftfahrzeugenselbst im unbelasteten Zustand nur Spannungen von ca. 12 Volt zur Verfügung. Daher ist es beim Fahren mit stillgelegtem Motor besonders wünschenswert, die Spannung im Bordnetz zu stabilisieren, beziehungsweise zu erhöhen, indem die Steuereinrichtung im ersten Betriebsmodus betrieben wird.However, when driving with the engine off, the generator may not be supportive of the battery. In addition, additional vehicle systems that are otherwise powered by the engine may need to be electrically powered, such as brake boosters or heaters. As a result, the battery is more heavily loaded when driving with the engine stopped. In addition, a typical lead-acid battery in vehicles even in the unloaded state provides only voltages of about 12 volts. Therefore, when driving with the engine stopped, it is particularly desirable to stabilize or increase the voltage in the vehicle electrical system by operating the control device in the first operating mode.
Während es, wie beschrieben, im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorteilhaft möglich ist, dass das Kraftfahrzeug für längere Zeiträume im ersten Betriebsmodus betrieben wird, ist es auch möglich, dass der erste Betriebsmodus benutzt wird, um bei kurzen und starken Belastungen der Batterie die Spannung im Bordnetz zu erhöhen oder zu stabilisieren. Insbesondere ist es möglich, dass die Steuereinrichtung beim Starten des Kraftfahrzeugs in dem ersten Betriebsmodus ist oder in diesen wechselt.While it is advantageously possible in the motor vehicle according to the invention, as described, for the motor vehicle to be operated in the first operating mode for longer periods of time, it is also possible for the first operating mode to be used to supply the voltage in the vehicle electrical system during short and heavy loads on the battery increase or stabilize. In particular, it is possible for the control device to be in the first operating mode when starting the motor vehicle or to change over to it.
Die weiteren Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:The further advantages and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and the accompanying drawings. Showing:
Die Pulswelle, die den DC/DC Wandler steuert, wird üblicherweise mit einem Pulsweitenverhältnis beschrieben, das den Zeitanteil beschreibt, während dessen sich das Signal auf einem hohen Spannungswert befindet. Wird ein einfacher Abwärtswandler genutzt, ist die Ausgangsspannung typischerweise direkt proportional zum Pulsweitenverhältnis, wenn ein hoher Signalpegel einem Schließen des Schalters entspricht. Damit kann durch Kontrolle des Pulsweitenverhältnisses in der Steuereinrichtung
Zur Vereinfachung soll zunächst angenommen werden, dass die Batterie
Im DC/DC Wandler muss also eine Spannung von 14 Volt am Eingang
Bei einer oberflächlichen Betrachtung des gezeigten Bordnetzes ist zunächst unklar, wie Strom, der den Verbraucher
Ein wesentlicher Vorteil der Anhebung der Betriebsspannung ist, dass Spannungseinbrüche der Batterie aufgrund großer Last kompensiert werden können.
Die Spannung, die am Verbraucher
Dies soll beispielhaft am Betrieb eines Elektromotors zur Unterstützung der Fahrleistung erläutert werden. Zunächst soll die Batterie als ideale Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung von 12 Volt und keinem Innenwiderstand angenommen werden. Zudem soll angenommen werden, dass der Motor einen Widerstand von 50 mΩ aufweist. Mit einer idealen Spannungsquelle würden in diesem Fall 240 Ampere durch den Motor fließen und es würden im Bordnetz weiterhin 12 Volt zur Verfügung stehen.This will be explained by way of example in the operation of an electric motor to support the driving performance. Initially, the battery should be considered as an ideal voltage source with an output voltage of 12 volts and no internal resistance. In addition, it should be assumed that the motor has a resistance of 50 mΩ. In this case, with an ideal voltage source, 240 amps would flow through the motor and 12 volts would still be available in the electrical system.
Weißt die Batterie nun aber einen Innenwiderstand von 5 Milliohm auf, würde bei Verwendung des gleichen Motors im gleichen Drehzahlbereich die Spannungen im Bordnetz auf 10,9 Volt einbrechen. Mit einer solchen niedrigen Spannung im Bordnetz kann nicht mehr notwendigerweise der Betrieb aller Systeme im Kraftfahrzeug sichergestellt werden. Wie in diesem Beispiel zu erkennen ist, ist insbesondere beim Betrieb von Verbrauchern mit niedriger Impedanz am Bordnetz, eine Unterstützung der Batterie durch Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich.If the battery now has an internal resistance of 5 milliohms, using the same motor in the same speed range would reduce the voltage in the electrical system to 10.9 volts. With such a low voltage in the electrical system, the operation of all systems in the motor vehicle can no longer necessarily be ensured. As can be seen in this example, support for the battery by means of stabilization measures is required, in particular when operating low-impedance loads on the vehicle electrical system.
Die Schaltung
Die resultierende Schaltung entspricht im Wesentlichen der in
Die grundlegende Funktion dieser Schaltung wurde schon mit Bezug auf
Mit der gezeigten Steuereinrichtung ist es damit über einen weiteren Wertebereich möglich, durch eine digitale Ansteuerung die Betriebsspannung über einen weiten Spannungsbereich anzupassen und zu stabilisieren.With the control device shown, it is thus possible over a wider range of values to adapt and stabilize the operating voltage over a wide voltage range by means of a digital control.
Wird der Startergenerator
Zum besseren Verständnis der in
Die Kurve
Die Spannung eines Bleiakkumulators könnte theoretisch durch das Hinzufügen weiterer Zellen erhöht werden, dies hat jedoch den Nachteil, dass der Innenwiderstand des Bleiakkumulators erhöht würde und das Gewicht steigt. Unter Umständen könnte auch nicht die volle Kapazität des Bleiakkumulators genützt werden, um zu hohe Spannungen zu vermeiden.The voltage of a lead-acid battery could theoretically be increased by the addition of further cells, but this has the disadvantage that the internal resistance of the lead-acid battery would be increased and the weight increased. Under certain circumstances, the full capacity of the lead-acid battery could not be used to avoid too high voltages.
Wird das Bordnetz stark belastet, wird die Betriebsspannung im Bordnetz, wie in Kurve
Eine solche Absenkung der Spannung und das Fehlen eines Generators zur Erhöhung der Bordnetzspannung kann im einfachsten Fall durch das Schalten eines Hilfsspeichers in Serie mit der Batterie kompensiert werden. In
Wie an Kurve
Insbesondere bei Hybridfahrzeugen wird es häufig gewünscht, einen Elektromotor oder Startergenerator zur Unterstützung der Fahrleistung, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten und Drehzahlen, zu benutzten.In particular, in hybrid vehicles, it is often desired to use an electric motor or starter generator to assist driving performance, particularly at low speeds and speeds.
Eine Folge dieser Absenkung der Batteriespannung ist beispielhaft mit Kurve
Ergänzend zeigt Kurve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2010/0308650 A1 [0004] US 2010/0308650 A1 [0004]
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