DE102013205221A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers zur elektrischen Ansteuerung eines Hybridkraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers zur elektrischen Ansteuerung eines Hybridkraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers (115) zur elektrischen Ansteuerung eines eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisenden Hybridkraftfahrzeugs, wobei mittels des DC/DC-Abwärtswandlers (115) eine von einer Hochspannungsquelle (100) bereitgestellte elektrische Hochspannung in eine für wenigstens einen elektrischen Verbraucher (120, 125) des Hybridkraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Niederspannung (110) umgewandelt wird und wobei auf der Seite der Niederspannung (110) des DC/DC-Abwärtswandlers (115) eine Niederspannungsquelle (105) vorgesehen ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass erfasst wird, ob ein elektrischer Fahrbetrieb des Hybridkraftfahrzeugs vorliegt, und dass im Fall des Vorliegens eines elektrischen Fahrbetriebs die von dem DC/DC-Abwärtswandler (115) bereitgestellte elektrische Niederspannung (110) auf ein Spannungsniveau unterhalb der von der Niederspannungsquelle (105) bereitgestellten Niederspannung (110) eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers zur elektrischen Ansteuerung eines Hybridkraftfahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Ein eingangs genannter DC/DC-Abwärtswandler wird in einem Hybridkraftfahrzeug eingesetzt, um die von einer Hochspannungs-(HV-)Batterie bzw. einem HV-Akkumulator bereitgestellte Hochspannung in die bei Bordnetzen von Kraftfahrzeugen übliche Gleichspannung von 12 Volt oder 24 Volt umzuwandeln. Solche Hybridkraftfahrzeuge weisen bekanntlich eine Brennkraftmaschine sowie einen Elektromotor auf, welche entweder einzeln oder gleichzeitig betrieben werden können.
  • Bei Hybridkraftfahrzeugen ist, zusätzlich zu der genannten HV-Batterie, bekanntermaßen ein Bordnetz mit einer Niedervolt-Batterie (12V- oder 24V) vorgesehen, mittels der die Steuergeräte des Kraftfahrzeugs vor dem Zuschalten der HV-Batterie mit der notwendigen Spannung versorgt werden können.
  • Zusätzlich wird die Niedervolt-Batterie aus Sicherheitsgründen vorgesehen, um bei einem Ausfall des DC/DC-Abwärtswandlers den sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs, zumindest für einen gewissen Zeitraum, zu ermöglichen. Nur beispielhaft wird darauf hingewiesen, dass das elektrische Bordnetz auch sicherheitsrelevante Komponenten des Kraftfahrzeugs, z.B. eine Servolenkung, einen Bremskraftverstärker oder Anzeigeinstrumente eines Armaturenbretts, mit der für deren Betrieb notwendigen elektrischen Energie versorgen.
  • Aufgrund der hohen Kosten und des hohen Gewichts von HV-Batterien werden heutige Hybridkraftfahrzeuge mit Batteriezellen ausgerüstet, deren Energieinhalt relativ gering ist. Daher ist die maximale Strecke, die im rein elektrischen Betrieb zurückgelegt werden kann, meist nicht größer als wenige Kilometer.
  • Hinzu kommt, dass die HV-Batterie, wie oben erwähnt, auch das Bordnetz versorgen muss, welches die genannten elektrischen Verbraucher (Servolenkung etc.) umfasst. Es ist daher bekannt, den DC/DC-Abwärtswandler auf der Niedervoltseite nicht mit einer konstanten elektrischen Spannung zu betreiben, sondern einen entsprechend verstellbaren Abwärtswandler vorzusehen und diesen so anzusteuern, dass die Spannung in Rekuperationsphasen z.B. auf 15V erhöht wird, wodurch die 12V-Batterie sehr effektiv (d.h. stark) geladen wird. Demgegenüber wird die Spannung in anderen Betriebsphasen des Hybridkraftfahrzeugs auf ein niedrigeres Niveau oberhalb der Bordnetzspannung von 12V, z.B. auf 12,8V, verringert, wobei lediglich die genannten Verbraucher mit Spannung versorgt werden. Dieser Ansatz berücksichtigt jedoch nicht die beiden Betriebszustände „rein elektrischer Fahrbetrieb“ und „hybridischer Fahrbetrieb“.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung schlägt vor, zur vorbeschriebenen Ansteuerung eines Hybridkraftfahrzeugs einen verstellbaren DC/DC-Abwärtswandler vorzusehen, um diesen gegenüber dem Stand der Technik effizienter betreiben zu können. Mittels des verstellbaren DC/DC-Abwärtswandlers wird das Abfließen von Energie aus der HV-Batterie in das Niedervolt-Bordnetz (z.B. 12V oder 24V) während des rein elektrischen Fahrbetriebs dadurch verhindert, dass der Abwärtswandler zumindest während des elektrischen Fahrbetriebs auf eine gegenüber dem Bordnetz geringere elektrische Spannung abgesenkt bzw. geregelt wird. Diese geringere Spannung beträgt z.B. 11V bei einem 12V-Bordnetz. Durch diese Maßnahme werden die im Bordnetz angeordneten 12V-Verbraucher im Wesentlichen aus der 12V-Batterie versorgt, so dass der Abwärtswandler keine bzw. möglichst wenig Energie aus der HV-Batterie zieht.
  • Der genannte effizientere Betrieb des DC/DC-Abwärtswandlers erfolgt bevorzugt mittels eines steuerbaren und/oder regelbaren DC/DC-Wandlers, wobei die genannte Spannungsabsenkung bzw. Spannungserhöhung entweder von einer entsprechenden Steuerungseinheit bzw. einem entsprechenden Regler vorgenommen wird oder von einem übergeordneten Steuergerät des Kraftfahrzeugs, z.B. einem Motorsteuergerät.
  • Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass einzelne Verbraucher (insbesondere energiestarke Verbraucher wie z.B. eine Klimaanlage) beim rein elektrischen oder hybridisch elektrischen Fahrbetrieb deaktiviert werden, um den Abfluss von Energie in die Klimaanlage zu minimieren bzw. zu verhindern.
  • Mit der Erfindung wird die Fahrstrecke, die rein elektrisch zurückgelegt werden kann, dadurch maximiert, dass der nicht dem Vortrieb des Kraftfahrzeugs dienende Energieverbrauch aus der HV-Batterie minimiert wird.
  • Im dem Fall, dass der aus der 12V-Batterie gezogene Strom stark ansteigt, z.B. aufgrund einer plötzlich hohen Leistungsanforderung einer Servolenkung, sinkt die Spannung im Bordnetz soweit, bis sie vom Abwärtswandler gestützt wird (d.h. bis zu den beispielhaft genannten 11V). Der Abwärtswandler stellt somit während des rein elektrischen Fahrbetriebs eine wirksame Sicherung gegen zu starke Spannungseinbrüche im 12V-Bordnetz. Aufgrund der nun vorliegenden Unterspannung von z.B. 11V muss die 12V-Batterie wieder aufgeladen werden. Dies geschieht, sobald die Brennkraftmaschine wieder aktiviert wird. Zum Zweck der Aufladung wird die Spannung des Bordnetzes mittels des Abwärtswandlers wieder auf ein hohes Niveau, z.B. 14,5V, eingestellt bzw. geregelt.
  • Die Erfindung kann insbesondere in Hybridkraftfahrzeugen zur Anwendung kommen. Darüber hinaus ist eine entsprechende Anwendung in allen Bereichen der Kraftfahrzeugtechnik möglich, in denen eine genannte HV-Batterie neben einer Niedervolt-Bordnetzbatterie zum Einsatz kommt.
  • Zusätzlich zum bevorzugten Einsatz zum Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem bidirektionalen DC/DC-Wandler eingesetzt werden. Dabei kann aus der Niedervolt-Batterie an die HV-Batterie übertragene Energie für den rein elektrischen oder hybridisch elektrischen Fahrbetrieb genutzt werden.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen DC/DC-Abwärtswandler.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines in 1 gezeigten Wandlers.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die in der 1 schematisch gezeigte Schaltungsanordnung umfasst im oberen Teil einen Hochspannungskreis, in dem eine eine elektrische Hochspannung ‘HV‘ bereitstellende HV-Batterie 100 angeordnet ist, welche in dem vorliegenden Beispiel aus konventionellen Lithium-Ionen-Zellen gebildet ist. Für die vorliegende Erfindung ist die jeweils zum Einsatz kommende HV-Batterie-Technologie irrelevant, so dass auch andere Technologien wie z.B. Bleisäure- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien oder dergleichen zum Einsatz kommen können.
  • Im unteren Bereich weist die Schaltungsanordnung einen Niederspannungskreis ‘LV‘ auf, der in dem vorliegenden Beispiel einem bei Kraftfahrzeugen, insbesondere auch bei Hybridkraftfahrzeugen, üblichen Bordnetz 110 entspricht. Der Niederspannungskreis entspricht in dem vorliegenden Beispiel einem konventionellen 12V-Bordnetz und weist eine entsprechende 12V-Batterie 105 auf. Es ist allerdings auch hier hervorzuheben, dass das 12V-Bordnetz nur beispielhaft ist und die Erfindung auch bei Niederspannungskreisen bzw. Bordnetzen mit z.B. 24V entsprechend anwendbar ist.
  • Das Bordnetz 110 bzw. die 12V-Batterie 105 dienen insbesondere zur Versorgung von Steuergeräten und anderen insbesondere sicherheitsrelevanten Komponenten des Kraftfahrzeugs, von denen vorliegend nur beispielhaft ein Bremskraftverstärker 120 und eine Servolenkung 125 schematisch eingezeichnet sind.
  • Wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, dient das Bordnetz 110 üblicherweise zur elektrischen Versorgung weiterer hier nicht gezeigter Komponenten.
  • Zwischen der HV-Batterie 100 und dem Bordnetz 110 ist ein DC/DC-Abwärtswandler 115 angeordnet, mittels dessen die von der HV-Batterie 100 gelieferte Hochspannung in die Niederspannung 105 des Bordnetzes 110 heruntertransformiert wird. Der DC/DC-Abwärtswandler 115 kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Dabei können auf der Primärseite zwei oder mehrere Feldeffekttransistoren angeordnet sein, mittels derer die am HV-Eingang anliegende Gleichspannung mit einer Frequenz von z.B. einigen 100 kHz zerhackt wird. Ein galvanisch isolierter Transformator sorgt für die notwendige Isolierung zwischen HV- und Niedervoltseite. Dessen Windungsverhältnis N1/N2 bestimmt die Ausgangsspannung. Die an der Sekundärseite erzeugte Spannung wird gleichgerichtet und geglättet.
  • Es ist hervorzuheben, dass es für die vorliegende Erfindung nicht auf den konkreten technischen Aufbau des Wandlers ankommt, so dass auch andere technische Realisierungen denkbar sind.
  • Das Transformations- bzw. Wandler-Verhältnis des Abwärtswandlers 115 ist erfindungsgemäß einstellbar oder regelbar ausgebildet, wobei der Abwärtswandler 115 in dem vorliegenden Beispiel durch einen Regler 130 angesteuert wird, wodurch das Transformationsverhältnis, wie in der nachfolgenden 2 beschrieben, geregelt wird. Die Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit des Wandlers kann bspw. durch ein mechanisch oder elektrisch veränderliches Windungsverhältnis N1/N2 gebildet sein.
  • Es ist anzumerken, dass die Ansteuerung mittels eines Reglers 130 nur beispielhaft ist und auch durch eine Steuereinheit gebildet sein kann, welche auf feste Transformations- bzw. Wandler-Werte voreingestellt ist.
  • Der Regler 130 arbeitet gegebenenfalls mit einem (hier nicht gezeigten) Motorsteuergerät zusammen, welches das nachfolgend beschriebene Verfahren ausführt. Alternativ werden die Verfahrensschritte von dem Regler 130 selbst ausgeführt.
  • Nach dem Start 200 der in der 2 gezeigten Routine zum Betrieb eines in der 1 gezeigten Abwärtswandlers 115 wird zunächst geprüft 205, ob das Kraftfahrzeug im rein elektrischen Fahrbetrieb betrieben wird, bei dem das Fahrzeug nur mit einem genannten Elektromotor betrieben wird. Ist dies nicht der Fall, wird diese Prüfung mittels der gezeigten Schleife, ggf. nach einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung, wiederholt vorgenommen.
  • Liegt ein elektrischer Fahrbetrieb vor, wird im nachfolgenden Schritt 210 der DC/DC-Abwärtswandler 115 mittels der Regelung 130 auf ein Spannungsniveau unterhalb der Bordnetzspannung von z.B. 12V geregelt. Die so eingeregelte Spannung beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 11V, sollte aber mindestens 0,5V unterhalb der Bordnetzspannung liegen.
  • Danach geht die Routine wieder in eine Warteschleife 215, in der geprüft wird, ob der Ladezustand der Niedervolt(LV)-Batterie eine bestimmte Schwelle unterschritten hat. Ist dies der Fall so wird die Sollspannung des DC/DC-Abwärtswandlers wieder erhöht 220, um die 12V-Batterie aufzuladen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt dieses erhöhte Spannungsniveau 14,5V. Die erhöhte Sollspannung sollte mindestens 0,5V oberhalb des Spannungsniveaus der LV-Batterie liegen.
  • Mit der Spannung von 14,5V lässt sich die 12V-Batterie sehr effizient aufladen 230 Schließlich wird in Schritt 235 geprüft, ob der Ladevorgang beendet ist. Ist dies der Fall, wird wieder an den Anfang (vor Schritt 205) der Routine zurückgesprungen und erneut abgewartet, bis wieder ein rein elektrischer Fahrbetrieb vorliegt.
  • Das folgende Rechenbeispiel illustriert die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Schaltungsanordnung. Eine Fahrt des Hybridkraftfahrzeugs im rein elektrischen Betrieb mit Tempo 30 km/h verbraucht etwa 5 kW elektrische Leistung. Die Nebenaggregate des Hybridfahrzeugs haben einen Energiebedarf von 500 W. Die HV-Batterie hat einen nutzbaren Energieinhalt von 0,8 kWh. Bei aktivem DC/DC-Abwärtswandler kann somit maximal 0,8 kWh/(5 kW + 0,5 kW) = 8,72 min rein elektrisch gefahren werden. Bei nicht aktivem Abwärtswandler erhöht sich die Maximaldauer der elektrischen Fahrt auf 0,8 kWh/5 kW = 9,6 min. Die Entladung der 12V-Batterie mit 75 Ah (entspricht 0,9 kWh) beträgt in diesem Fall 0,5 kW·9,6 min/0,9 kWh = 9 % und liegt im zulässigen Bereich des „SOC-Swings“, d.h. die im Falle eines PbAc-Akkumulators zulässige Schwankungsbreite (in %) des Batterieladezustandes. Es ist hervorzuheben, dass das beschriebene Verfahren auch mit anderen Akkumulator- bzw. Batterietypen, z.B. Li-Ionen-Akkumulatoren, durchführbar ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers (115) zur elektrischen Ansteuerung eines eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisenden Hybridkraftfahrzeugs, wobei mittels des DC/DC-Abwärtswandlers (115) eine von einer Hochspannungsquelle (100) bereitgestellte elektrische Hochspannung in eine für wenigstens einen elektrischen Verbraucher (120, 125) des Hybridkraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Niederspannung (110) umgewandelt wird und wobei auf der Seite der Niederspannung (110) des DC/DC-Abwärtswandlers (115) eine Niederspannungsquelle (105) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass erfasst wird, ob ein elektrischer Fahrbetrieb des Hybridkraftfahrzeugs vorliegt, und dass im Fall des Vorliegens eines elektrischen Fahrbetriebs die von dem DC/DC-Abwärtswandler (115) bereitgestellte elektrische Niederspannung (110) auf ein Spannungsniveau unterhalb der von der Niederspannungsquelle (105) bereitgestellten Niederspannung (110) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsniveau unterhalb der Niederspannung (110) mittels einer Steuerung oder Regelung (130) eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsniveau unterhalb der Niederspannung (110) mindestens 0,5 V geringer als die Niederspannung (110) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen des Spannungsniveaus unterhalb der Niederspannung (110) geprüft wird, ob der Ladezustand der Niederspannungsquelle (105) einen vorgegebenen Schwellenwert unterschritten hat, und dass bei vorliegender Unterschreitung des Schwellenwerts die von dem DC/DC-Abwärtswandler (115) bereitgestellte elektrische Niederspannung (110) auf ein Spannungsniveau oberhalb der von der Niederspannungsquelle (105) bereitgestellten Niederspannung (110) eingestellt wird, wodurch die Niederspannungsquelle (105) aufgeladen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oberhalb der von der Niederspannungsquelle (105) bereitgestellten Niederspannung (110) eingestellte Spannungsniveau um mindestens 0,5 V höher ist als die von der Niederspannungsquelle (105) bereitgestellte Niederspannung (110).
  6. Steuerung zum gesteuerten Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers (115) zur elektrischen Ansteuerung eines eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisenden Hybridkraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch Steuermittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Regler zum geregelten Betrieb eines DC/DC-Abwärtswandlers (115) zur elektrischen Ansteuerung eines eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisenden Hybridkraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch Regelungsmittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. DC/DC-Abwärtswandler (115) zur elektrischen Ansteuerung eines eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweisenden Hybridkraftfahrzeugs, der eine von einer Hochspannungsquelle (100) bereitgestellte elektrische Hochspannung in eine für wenigstens einen elektrischen Verbraucher (120, 125) des Hybridkraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Niederspannung (110) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsniveau der von dem DC/DC-Abwärtswandler (115) bereitgestellten elektrischen Niederspannung (110) von außen steuerbar und/oder regelbar einstellbar ist.
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