DE102013206298A1 - Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeugs, Mehrspannungsbordnetz und Mittel zur Implementierung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (400) zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes (100) eines Kraftfahrzeugs, das ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares erstes Teilnetz (10) und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares zweites Teilnetz (20) aufweist, wobei die erste Betriebsspannung und die zweite Betriebsspannung gleich oder unterschiedlich sind, wahlweise ein Strom aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) oder aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) einspeisbar ist, und wenigstens ein elektrischer Verbraucher (14) an das erste Teilnetz (10) ankoppelbar und von dem ersten Teilnetz (10) abkoppelbar ist. Das Verfahren (400) umfasst eine Sonderbetriebsart (410), in der einem durch Ankoppeln des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (14) an das erste Teilnetz (10) bewirkten negativen Lastsprung durch ein Einspeisen von Strom aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) und einem durch Abkoppeln des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (14) von dem ersten Teilnetz (10) bewirkten positiven Lastsprung durch ein Einspeisen von Strom aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) jeweils über einen Einspeisezeitraum (t1–t2, t3–t4) entgegengewirkt wird. Ein entsprechend eingerichtetes Mehrspannungsbordnetz (100) und Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens (400) sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes für ein Kraftfahrzeug, das ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares erstes Teilnetz und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares zweites Teilnetz aufweist, ein entsprechendes Mehrspannungsbordnetz und Mittel zur Implementierung des Verfahrens.
  • Stand der Technik
  • Sogenannte Mehrspannungsbordnetze für Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. Mehrspannungsbordnetze kommen beispielsweise dann zum Einsatz, wenn in einem betreffenden Kraftfahrzeug Verbraucher mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen vorhanden sind. Mehrspannungsbordnetze weisen im Sprachgebrauch dieser Anmeldung sogenannte Teilnetze auf, die für einen Betrieb auf gleichen oder unterschiedlichen Spannungsniveaus, hier als "Betriebsspannungen" bezeichnet, eingerichtet sind. Insbesondere können Mehrspannungsbordnetze als Zweispannungsbordnetze ausgebildet sein, bei denen die Betriebsspannungen beispielsweise 48 V (in einem sogenannten Hochvoltteilnetz) und 12 V (in einem sogenannten Niedervoltteilnetz) betragen können.
  • Zwei Teilnetze eines Mehrspannungsbordnetzes können über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sein. Wenigstens eines der zwei Teilnetze weist eine generatorisch betreibbare elektrische Maschine auf, die das jeweilige Teilnetz speist. Das über den genannten Gleichspannungswandler angebundene jeweils andere Teilnetz kann dann wiederum aus dem Teilnetz mit der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine gespeist werden, wenn dieses selbst keine generatorisch betreibbare elektrische Maschine aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich für alle Mehrspannungsbordnetze für Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen, die (zumindest) ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares erstes Teilnetz und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares zweites Teilnetz aufweisen. Die Betriebsspannungen können gleich oder unterschiedlich sein. Gleiche Betriebsspannungen in zwei Teilnetzen kommen beispielsweise dann zum Einsatz, wenn in einem der Teilnetze sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher gruppiert werden, die vor möglichen Spannungsspitzen oder -einbrüchen in dem jeweils anderen Teilnetz geschützt werden sollen. Der Einsatz der Erfindung ist damit nicht auf Zweispannungsbordnetze, also Bordnetze mit genau zwei Teilnetzen, beschränkt. Mehrspannungsbordnetze weisen jedoch zumindest zwei Teilnetze auf die im Rahmen dieser Anmeldung als "erstes Teilnetz" und "zweites Teilnetz" bezeichnet werden. In üblichen Zweispannungsbordnetzen weist beispielsweise das erste Teilnetz eine höhere Betriebsspannung (Hochvoltteilnetz) und das zweite Teilnetz eine niedrigere Betriebsspannung (Niedervoltteilnetz) auf.
  • Die Erfindung betrifft jedoch insbesondere die erläuterten Zweispannungsbordnetze, in denen nur in einem der (zwei) Teilnetze eine generatorisch betreibbare elektrische Maschine vorgesehen ist. Im Sprachgebrauch dieser Anmeldung wird dabei das Teilnetz (eines Zwei- oder Mehrspannungsbordnetzes), das die generatorisch betreibbare elektrische Maschine aufweist, als das erste Teilnetz bezeichnet. Das zweite Teilnetz wird dann über den Gleichspannungswandler aus dem ersten Teilnetz gespeist. Aus dem Stand der Technik bekannte Gleichspannungswandler (auch DC/DC-Wandler genannt) sind typischerweise als eigenständige Geräte mit einem separaten Gehäuse oder als eigenständige Geräte in einem Gehäuse gemeinsam mit einem Pulswechselrichter oder einer Batterie verbaut. Ein entsprechender Gleichspannungswandler hat, wie erwähnt, die Aufgabe, den Energieaustausch zwischen den Teilnetzen zu gewährleisten.
  • Mehrspannungsbordnetze kommen insbesondere bei sogenannten Rekuperationssystemen zur Rückgewinnung von Bremsenergie zum Einsatz. Zur Rekuperation ist hierbei eine zumindest generatorisch betreibbare elektrische Maschine in dem ersten Teilnetz eingebunden. Diese muss entsprechend leistungsfähig ausgelegt sein, um eine ausreichende Bremsleistung bereitstellen zu können. Die Auslegung des Bordnetzes als Mehrspannungsbordnetz ist daher erforderlich. Aus der JP 2007-259511 A1 , der US 7 407 025 B2 , der EP 1 219 493 B1 , der JP 2012-021687 A sowie der EP 1 138 539 B1 ist hierbei bekannt, einen Gleichspannungswandler zur Stabilisierung der Spannungsversorgung des zweiten Teilnetzes zu verwenden.
  • In dem ersten Teilnetz, das die generatorisch betreibbare elektrische Maschine umfasst, und das zur Versorgung des zweiten oder weiterer Teilnetze über den Gleichspannungswandler eingerichtet ist, beispielsweise in dem erläuterten Hochvoltteilnetz, ist typischerweise ein Dämpfungsglied vorgesehen. In einem Hochvoltteilnetz wird beispielsweise eine sogenannte Hochvoltbatterie verbaut. Bei dem Dämpfungsglied kann es sich auch um einen Kondensator (insbesondere einen sogenannten Superkondensator) handeln.
  • Typischerweise sind in dem ersten Teilnetz Verbraucher angeordnet, die an das erste Teilnetz angekoppelt und von diesem abgekoppelt werden können. Die Begriffe "Ankoppeln" und "Abkoppeln" umfassen sämtliche Maßnahmen, die bewirken, dass jeweils ein Strom in die entsprechenden Verbraucher fließt bzw. ein entsprechender Stromfluss unterbunden wird, beispielsweise ein An- und Abschalten. Bei den Verbrauchern im ersten Teilnetz handelt es sich naturgemäß um solche mit entsprechend hohen Leistungsanforderungen. Ist ein Dämpfungsglied in dem ersten Teilnetz vorhanden, werden Lastsprünge, die durch ein Ankoppeln bzw. Abkoppeln entsprechender Verbraucher hervorgerufen werden, durch das Dämpfungsglied ausreichend kompensiert. Dies bedeutet, dass ein An- bzw. Abkoppeln entsprechender Verbraucher keinen schlagartigen Lastsprung verursacht, der sich in Form eines schlagartigen Spannungsanstiegs bzw. Spannungseinbruchs äußert. Eine entsprechende Spannung kann zwar absinken oder ansteigen, dies erfolgt jedoch innerhalb eines Zeitfensters, in dem die generatorisch betreibbare elektrische Maschine ausreichend Zeit hat, den Lastanstieg bzw. die Lastverringerung durch eine Erhöhung bzw. Verringerung ihrer Ausgangsleistung auszugleichen.
  • Probleme ergeben sich jedoch dann, wenn ein entsprechendes Dämpfungsglied im ersten Teilnetz ausfällt und/oder abgeschaltet werden muss. In solchen Fällen kann die Energieversorgung des Kraftfahrzeugs nur erschwert aufrechterhalten werden, weil es aufgrund der durch das An- bzw. Abkoppeln der Verbraucher verursachten Lastsprünge zu starken Spannungsschwankungen kommen kann. Ist der Generator im ersten Teilnetz nicht in der Lage, entsprechende Lastsprünge ausreichend rasch auszuregeln, kommt es zu Unter- bzw. Überspannungen.
  • Das erste Teilnetz, und ggf. auch das zweite Teilnetz (durch Degradation des zwischengeschalteten Gleichspannungswandlers) können daher beim Ankoppeln eines Verbrauchers in Unterspannung und beim Abkoppeln eines Verbrauchers in Überspannung geraten. Dies kann beispielsweise zur Folge haben, dass eine Berührspannungsgrenze nicht eingehalten werden kann oder eine vorgesehene Überspannungsschutzbeschaltung übermäßig belastet wird. Je nach der vorgesehenen Regelstrategie können Spannungsschwankungen zu Ausfällen der Verbraucher im ersten Teilnetz bzw. des gesamten ersten Teilnetzes führen.
  • Ferner ist ein Einschalten des Generators in spannungslosem Zustand (d.h. ohne einen entsprechenden Energiespeicher in dem ersten Teilnetz) nicht ohne Weiteres möglich, insbesondere dann nicht, wenn das Reglerfeld und/oder der Regler aus dem ersten Teilnetz versorgt werden. Daher wird ein entsprechendes System üblicherweise in solchen Fällen in einen sicheren Zustand überführt, der jedoch das Abschalten des ersten Teilnetzes umfasst. Das Fahrzeug fällt aus.
  • Es besteht daher weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zum Betreiben entsprechender Mehrspannungsbordnetze.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes für ein Kraftfahrzeug, das ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares erstes Teilnetz und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares zweites Teilnetz aufweist, ein entsprechendes Mehrspannungsbordnetz und Mittel zur Implementierung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung kann bei Mehrspannungsbordnetzen zum Einsatz kommen, deren Teilnetze gleiche Betriebsspannungen oder im Wesentlichen gleiche Betriebsspannungen aufweisen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zweispannungsbordnetzen beschrieben, bei denen ein beträchtlicher Unterschied zwischen den Betriebsspannungen der zwei Teilnetze besteht, ist jedoch ausdrücklich nicht auf derartige Zweispannungsbordnetze beschränkt. Wie erläutert, können in derartigen Mehrspannungsbordnetzen Verbraucher an das erste Teilnetz ankoppelbar und von dem ersten Teilnetz abkoppelbar sein. Wie ebenfalls erläutert, kann es bei einem Ausfall eines Dämpfungsglieds in dem ersten Teilnetz bei einer entsprechenden An- bzw. Abkoppelung zu negativen bzw. positiven Lastsprüngen kommen. Diese äußern sich in Spannungseinbrüchen bzw. Spannungsspitzen.
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung vor, ein entsprechendes Mehrspannungsbordnetz derart auszubilden, dass wahlweise ein Strom aus dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz oder aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz einspeisbar ist. Hierbei ist erfindungsgemäß eine Sonderbetriebsart vorgesehen, in der einem durch ein Ankoppeln des wenigstens einen Verbrauchers an das erste Teilnetz bewirkten negativen Lastsprung durch Einspeisen von Strom aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz und einem durch ein Abkoppeln des wenigstens einen Verbrauchers von dem ersten Teilnetz bewirkten positiven Lastsprung durch Einspeisen von Strom aus dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz entgegengewirkt wird. Dieses "Entgegenwirken" erfolgt dabei jeweils über einen begrenzten "Einspeisezeitraum".
  • Die Einspeisung des jeweiligen Stroms kann auch in Form einer Erhöhung eines üblicherweise über den Gleichspannungswandler in das zweite Teilnetz eingespeisten Stroms und/oder in Form einer Verringerung eines entsprechenden Stroms erfolgen, also ausgehend von einem Normalwert.
  • Insbesondere wird eine derartige Sonderbetriebsart dann durchgeführt, wenn ein Ausfall eines in dem ersten Teilnetz vorgesehenen Dämpfungsglieds erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine Messschaltung erkannt werden oder ist bekannt, wenn eine aktive Abschaltung eines entsprechenden Dämpfungsglieds, beispielsweise einer Batterie, erfolgt ist.
  • Die Einspeisung des Stroms aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz bzw. umgekehrt erfolgt vorteilhafterweise deshalb über die jeweiligen Einspeisezeiträume, damit eine in dem ersten Teilnetz vorgesehene generatorisch betreibbare elektrische Maschine ausreichend Zeit erhält, den jeweiligen (negativen oder positiven) Lastsprüngen durch ein entsprechendes Ausregeln entgegenzuwirken. Während der Einspeisezeiträume wird also eine Ausgangsleistung einer in dem ersten Teilnetz vorgesehenen generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine bei einem negativen Lastsprung graduell erhöht und bei einem positiven Lastsprung graduell verringert. Die Dauer der jeweiligen Zeiträume richtet sich nach den Fähigkeiten der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine.
  • Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden damit positive bzw. negative Lastsprünge im Wesentlichen ausgeglichen. Ferner ist ein Einschalten der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine in dem ersten Teilnetz ohne das Dämpfungsglied, z.B. eine entsprechende Batterie, im ersten Teilnetz möglich, weil hierzu ein Strom aus dem zweiten Teilnetz eingespeist werden kann.
  • Zusammengefasst kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei einem Ausfall eines in dem ersten Teilnetz angeordneten Dämpfungsglieds (beispielsweise einer entsprechenden Batterie) und damit bei einem Verlust eines entsprechenden dämpfenden Verhaltens dieses Dämpfungsglieds durch die jeweilige Einspeisung des Stroms, wie erläutert, auf entsprechende Lastsprünge dämpfend eingewirkt werden. Insbesondere wird zum Einspeisen des Stroms dabei ein Gleichspannungswandler verwendet, der bidirektional betreibbar ist. Derartige Gleichspannungswandler weisen aufgrund des Fehlens zu bewegender Massen deutlich geringere Zeitkonstanten auf als elektrische Maschinen. Ein entsprechender Eingriff gibt der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine ausreichend Zeit, um ihre Ausgangsleistung anzupassen.
  • Insbesondere kommt das erfindungsgemäße Verfahren in Zweispannungsbordnetzen zum Einsatz, bei denen die erste Betriebsspannung höher als die zweite Betriebsspannung ist. Hierbei wird zum Einspeisen des Stroms aus dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz bzw. aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz ein wahlweise als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller betreibbarer Gleichspannungswandler verwendet. Derartige Gleichspannungswandler sind auch als Tief-Hochsetzsteller bzw. als Buck-Boost-Wandler bekannt. Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Gleichspannungswandler kann beispielsweise seine Betriebsart nach Maßgabe einer entsprechenden Ansteuerung von einem Abwärtswandlerbetrieb (beispielsweise 48 V nach 12 V) in einen Aufwärtswandlerbetrieb (z.B. 12 V nach 48 V) umstellen.
  • Besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn in einer entsprechenden Sonderbetriebsart zusätzlich die Betriebsspannung des ersten Teilnetzes verringert wird. Dies kann insbesondere in den erläuterten Zweispannungsbordnetzen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen erfolgen. Beispielsweise kann die Betriebsspannung des ersten Teilnetzes dabei von 48 V auf 36 V verringert werden. Damit ist der Abstand zur maximal zulässigen Bordnetzspannung ggf. erhöht, so dass auch nicht vollständig ausregelbare Lastsprünge nicht zu unzulässigen Spannungswerten, beispielsweise einem Überschreiten der maximal zulässigen Berührspannung, führen.
  • Eine Einspeisung des Stroms von dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz kann dort zu einem besonders starken Aufladen der vorhandenen Batterie (z.B. einer Blei-Säure-Batterie) oder sogar zu deren Ausgasen führen. Dies kann auch als Maßnahme zur Ableitung überschüssiger Energie verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, mittels des Gleichspannungswandlers entsprechende Energie kurzzeitig in Wärme umzusetzen. Dies ermöglicht eine effiziente "Löschung" überschüssiger Energie.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist als Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Zweispannungsbordnetz in Form eines schematischen Schaltplans.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäß betreibbares Zweispannungsbordnetz in Form eines schematischen Schaltplans.
  • 3 zeigt Spannungs- und Stromverläufe bei einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden nicht wiederholt erläutert.
  • 1 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Zweispannungsbordnetz in Form eines schematischen Schaltplans. Es ist insgesamt mit 110 bezeichnet.
  • Das Zweispannungsbordnetz 110 verfügt über ein erstes Teilnetz 10 und ein zweites Teilnetz 20. Das erste Teilnetz 10 ist hier beispielsweise für einen Betrieb bei 48 V als Betriebsspannung ausgelegt. Das zweite Teilnetz 20 ist hier beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V als Betriebsspannung ausgelegt. Bei dem ersten Teilnetz 10 handelt es sich damit um ein sogenanntes Hochvoltteilnetz, bei dem zweiten Teilnetz 20 um ein sogenanntes Niedervoltteilnetz.
  • In dem ersten Teilnetz 10 ist eine elektrische Maschine 11 mit einem Umrichter 12 vorgesehen. Die elektrische Maschine 11 kann zumindest generatorisch betrieben werden und über den Umrichter 12 einen Strom in das erste Teilnetz 10 einspeisen. Insbesondere kann die elektrische Maschine 11 auch motorisch betrieben werden. Beispielsweise kann in sogenannten Rekuperationssystemen mittels der elektrischen Maschine 11 Bremsleistung zurückgewonnen und/oder ein Verbrennungsmotor momentenleistend unterstützt werden.
  • In dem ersten Teilnetz 10 ist ein entsprechend ausgelegter Energiespeicher 13 vorgesehen, der für einen Betrieb mit der ersten Betriebsspannung eingerichtet ist, beispielsweise eine Batterie oder ein Kondensator. Ein Verbraucher in dem ersten Teilnetz 10 ist schematisch mit 14 veranschaulicht.
  • In dem zweiten Teilnetz 20 ist beispielsweise ein Startermotor 21 vorgesehen, der für einen Start des Kraftfahrzeugs, in dem das Zweispannungsbordnetz 110 ausgebildet ist, verwendet werden kann. In dem zweiten Teilnetz 20 ist ferner ein ebenfalls für eine entsprechende Betriebsspannung eingerichteter Energiespeicher 23 vorgesehen, beispielsweise eine herkömmliche Fahrzeugbatterie. Ein Verbraucher ist auch hier schematisch mit 24 veranschaulicht.
  • Das erste Teilnetz 10 und das zweite Teilnetz 20 sind über einen Gleichspannungswandler 30 miteinander verbunden. Im dargestellten Beispiel ist nur in dem ersten Teilnetz 10 eine generatorisch betreibbare elektrische Maschine 11 vorgesehen, so dass letztlich das zweite Teilnetz 20 ausschließlich aus dem ersten Teilnetz 10 gespeist wird. Mit "ausschließlich gespeist" sei damit ausdrücklich auch eine Speisung mittels des Energiespeichers 23 umfasst, der seinerseits wiederum aus dem ersten Teilnetz 10 geladen wird.
  • Eine Steuereinheit 50 ist zur Ansteuerung des Zweispannungsbordnetzes 110 über Ansteuerleitungen 51 eingerichtet.
  • In 2 ist ein Zweispannungsbordnetz, das erfindungsgemäß betreibbar ist, in Form eines schematischen Schaltplans dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das dargestellte Zweispannungsbordnetz 100 verfügt über sämtliche Komponenten des zuvor erläuterten Zweispannungsbordnetzes 110 (vgl. 1). Mit 130 ist hier eine (mögliche) Unterbrechung eines Kontakts zwischen der Batterie 13 und dem ersten Teilnetz 10 angedeutet. Wie erläutert, kann anstelle der Batterie 13 auch ein anderer geeigneter Energiespeicher, beispielsweise ein Kondensator, vorgesehen sein, der eine Dämpfungsfunktion in dem ersten Teilnetz 10 ausübt. Der Gleichspannungswandler 30 ist im dargestellten Beispiel als aktiver Wandler mit einer Halbbrücke mit entsprechenden ansteuerbaren Schaltelementen S und einer Induktivität L ausgebildet. Die Schaltelemente S können beispielsweise durch eine Steuereinheit 50 über entsprechende Ansteuersignale 51 angesteuert werden. Der Gleichspannungswandler 30 kann als bidirektionaler Wandler betrieben werden, wobei er wahlweise als Abwärtswandler eine (höhere) Betriebsspannung des ersten Teilnetzes 10 in eine (niedrigere) Betriebsspannung des zweiten Teilnetzes 20 wandelt, oder, als Aufwärtswandler, umgekehrt.
  • Eine in dem ersten Teilnetz 10 gegenüber Masse abfallende Spannung ist in Form eines Pfeils 131 veranschaulicht. Ein durch die elektrische Maschine 11 eingespeister Strom ist mit einem Pfeil 111 veranschaulicht. Ein über den Verbraucher 14 fließender Strom ist mit einem Pfeil 141 veranschaulicht. Mit einem Pfeil 31 ist ein Strom veranschaulicht, der (bei einem Aufwärtswandlerbetrieb des Gleichspannungswandlers 30) von dem zweiten Teilnetz 20 in das erste Teilnetz 10 eingespeist wird.
  • Effekte einer An- bzw. Abkoppelung eines Verbrauchers 14 werden unter Bezugnahme auf die 3 näher erläutert. Die 3 zeigt in den Diagrammen 310 und 320 eine Spannung U in V bzw. einen Strom I in A auf der Ordinate gegenüber einer Zeit t in ms auf der Abszisse.
  • Mit 311 ist in dem Diagramm 310 ein Spannungsverlauf in einem Zweispannungsbordnetz 110 veranschaulicht, der bei einem Ausfall eines Dämpfungsglieds 13 und bei einer An- bzw. Abkoppelung eines Verbrauchers 14 auftritt. Der Verbraucher 14 wird dabei zu einem Zeitpunkt t0 angekoppelt und zu einem Zeitpunkt t2 abgekoppelt.
  • Aufgrund der Ankoppelung des Verbrauchers 13 zu dem Zeitpunkt t0 kommt es bei fehlender Dämpfung zu einem Spannungseinbruch, der ggf. ein mit UBmin bezeichnetes minimal zulässiges Spannungsniveau des Zweispannungsbordnetzes 110 unterschreitet. Mit dem Stromverlauf 321 in dem Diagramm 320 ist der durch den Verbraucher 14 fließende Strom (vgl. Pfeil 141 in 2) veranschaulicht. Mit 323 ist dort der durch die elektrische Maschine 11 in das Zweispannungsbordnetz 110 eingespeiste Strom (vgl. Pfeil 111 in 2) dargestellt. Wie ersichtlich, erhöht die elektrische Maschine 11 ihre Ausgangsleistung und speist damit zur Kompensation des Stromverbrauchs des Verbrauchers 13 eine größere Strommenge in das Zweispannungsbordnetz 110 ein. Aufgrund der langsamen Zeitkonstante der elektrischen Maschine 11 hat diese den erhöhten Stromverbrauch jedoch erst zu einem Zeitpunkt t1 kompensiert. Zu diesem Zeitpunkt hat die Betriebsspannung des ersten Teilnetzes wieder die Sollspannung, hier mit UB bezeichnet, erreicht.
  • In umgekehrter Weise gelten diese Erläuterungen auch für ein Abkoppeln des Verbrauchers 14. Hier kommt es – siehe Spannungsverlauf 311 – nach dem Zeitpunkt t2 ggf. zu einem Überschreiten der maximal zulässigen Betriebsspannung des ersten Teilnetzes, hier mit UBmax bezeichnet. Die Spannung überschreitet ggf. die maximal zulässige Berührspannung (typischerweise 60 V) und stellt damit ein Sicherheitsrisiko dar. Auch hier kann der durch die elektrische Maschine 11 in das Zweispannungsbordnetz 110 eingespeiste Strom nur graduell verringert werden.
  • Die erfindungsgemäßen Maßnahmen umfassen im Wesentlichen die Einspeisung eines Stroms (vgl. Pfeil 31 in 2) aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 (siehe Stromverlauf 322 in Diagramm 320) bzw. die Einspeisung eines Stroms von dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz zwischen den Zeitpunkten t2 und t3. Lastsprüngen wird daher durch eine entsprechende Einspeisung entgegengewirkt. Dies führt zu einer Glättung des Spannungsverlaufs in einem erfindungsgemäß betreibbaren Zweispannungsbordnetz 100, wie er in dem Diagramm 310 mit 312 veranschaulicht ist.
  • 4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans. Das Verfahren umfasst ein generatorseitiges Teilverfahren 411 und ein wandlerseitiges Teilverfahren 430, wodurch im Wesentlichen die Ausgangsleistungserhöhung bzw. -verringerung der elektrischen Maschine 11 einerseits bzw. die Einspeisung der Ströme durch den Gleichspannungswandler 30 andererseits jeweils in Form eines Regelkreises realisiert wird.
  • Eine entsprechende Sonderbetriebsart 410 wird dann eingeleitet, wenn beispielsweise mittels einer entsprechenden Sensorstruktur ein Ausfall eines Dämpfungsglieds 13 im ersten Teilnetz erkannt wird oder ein entsprechendes Dämpfungsglied 13 abgeschaltet wird.
  • Ausgehend von dem Schritt 410 wird (vgl. generatorseitiges Teilverfahren 411) so lange eine Anpassung der Generatorausgangsleistung durchgeführt (Schritt 420), bis in einem Schritt 430 erkannt wird, dass wieder ein Normalbetrieb vorliegt, d.h. beispielsweise ein entsprechendes Dämpfungsglied 13 wieder angebunden ist. In diesem Fall geht das generatorseitige Teilverfahren 411 in einen Ruhezustand 440 bzw. Idle-Betrieb über.
  • In einem Schritt 450 wird im dargestellten Beispiel ein Lastsprung erkannt, der beispielsweise einen Wert von 0 bis 100% aufweisen kann. In einem Schritt 460 (vgl. wandlerseitiges Teilverfahren 430) wird überprüft, ob dieser Lastsprung einen ggf. vorliegenden Toleranzwert über- oder unterschreitet. Entsprechend dem Ergebnis wird entweder (Schritt 470) eine Notversorgung des ersten Teilnetzes vorgenommen, indem Strom aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz eingespeist wird. Alternativ dazu (Schritt 475) kann auch Strom aus dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz eingespeist werden. Auch hier wird ein entsprechendes wandlerseitiges Teilverfahren so lange durchgeführt (Schritt 480) bis ein Normalbetriebsmodus vorliegt. In diesem Fall geht auch das wandlerseitige Teilverfahren 430 in einen Ruhezustand 490 bzw. Idle-Betrieb über.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (13)

  1. Verfahren (400) zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes (100) eines Kraftfahrzeugs, das ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares erstes Teilnetz (10) und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares zweites Teilnetz (20) aufweist, wobei die erste Betriebsspannung und die zweite Betriebsspannung gleich oder unterschiedlich sind, wahlweise ein Strom aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) oder aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) einspeisbar ist, und wenigstens ein elektrischer Verbraucher (14) an das erste Teilnetz (10) ankoppelbar und von dem ersten Teilnetz (10) abkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) eine Sonderbetriebsart (410) umfasst, in der einem durch Ankoppeln des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (14) an das erste Teilnetz (10) bewirkten negativen Lastsprung durch Einspeisen von Strom aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) und einem durch Abkoppeln des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (14) von dem ersten Teilnetz (10) bewirkten positiven Lastsprung durch Einspeisen von Strom aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) jeweils über einen Einspeisezeitraum (t0–t1, t2–t3) entgegengewirkt wird.
  2. Verfahren (400) nach Anspruch 1, bei dem die Sonderbetriebsart (410) dann durchgeführt wird, wenn ein Ausfall eines in dem ersten Teilnetz (10) vorgesehenen Dämpfungsglieds (13) vorliegt.
  3. Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jeweils über den Einspeisezeitraum (t0–t1, t2–t3) eine Ausgangsleistung einer in dem ersten Teilnetz (10) vorgesehenen, zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (11) bei dem negativen Lastsprung graduell erhöht und bei dem positiven Lastsprung graduell verringert wird.
  4. Verfahren (400) nach Anspruch 3, bei dem jeweils über den Einspeisezeitraum (t0–t1, t2–t3) ein Betrag des bei dem negativen Lastsprung aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) eingespeisten Stroms und ein Betrag des bei dem positiven Lastsprung aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) eingespeisten Stroms von einem Maximalwert nach dem Beginn des Einspeisezeitraums (t0–t1, t2–t3) graduell verringert wird.
  5. Verfahren (400) nach Anspruch 4, bei dem die Verringerung des Betrags des jeweils eingespeisten Stroms reziprok zu der graduellen Erhöhung bzw. Verringerung der Ausgangsleistung der elektrischen Maschine (11) erfolgt.
  6. Verfahren (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Betriebsspannung höher als die zweite Betriebsspannung ist und zum Einspeisen des Stroms aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) bzw. aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) ein wahlweise als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller betreibbarer Gleichspannungswandler (30) verwendet wird.
  7. Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, das ferner einen Startbetrieb umfasst, in dem zum Starten der elektrischen Maschine (11) Strom aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) eingespeist wird.
  8. Verfahren (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in der Sonderbetriebsart (410) die Betriebsspannung des ersten Teilnetzes (10) verringert wird.
  9. Mehrspannungsbordnetz (100) eines Kraftfahrzeugs, das ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares erstes Teilnetz (10) und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares zweites Teilnetz (20) aufweist, wobei die erste Betriebsspannung und die zweite Betriebsspannung gleich oder unterschiedlich sind, wahlweise ein Strom aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) oder aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) einspeisbar ist, wenigstens ein elektrischer Verbraucher (14) an das erste Teilnetz (10) ankoppelbar und von dem ersten Teilnetz (10) abkoppelbar ist, und Mittel (30, 50) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, eine Sonderbetriebsart (410) durchzuführen, in der einem durch Ankoppeln des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (14) an das erste Teilnetz (10) bewirkten negativen Lastsprung durch Einspeisen von Strom aus dem zweiten Teilnetz (20) in das erste Teilnetz (10) und einem durch Abkoppeln des wenigstens einen elektrischen Verbrauchers (14) von dem ersten Teilnetz (10) bewirkten positiven Lastsprung durch Einspeisen von Strom aus dem ersten Teilnetz (10) in das zweite Teilnetz (20) jeweils über einen Einspeisezeitraum (t0–t1, t2–t3) entgegengewirkt wird.
  10. Mehrspannungsbordnetz (100) nach Anspruch 9, das ferner für einen Betrieb gemäß einem Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
  11. Recheneinheit, insbesondere Steuereinheit (50) eines Mehrspannungsbordnetzes nach Anspruch 9 oder 10, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  12. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn sie auf einer Recheneinheit, insbesondere einer Recheneinheit nach Anspruch 11, ausgeführt werden.
  13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
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