DE102014005130A1 - Bordnetzarchitektur für ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Bordnetz - Google Patents

Bordnetzarchitektur für ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Bordnetz Download PDF

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Norman Krippner
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bordnetzarchitektur für ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug, umfassend einen Generator (7), einen Starter (5) für den Verbrennungsmotor (3), zwei Energiespeicher (11, 13) sowie mehrere elektrische Verbraucher (9). Bei einer Bordnetzarchitektur, bei welcher die Startsicherheit des Verbrennungsmotors jederzeit gewährleistet ist, sind der Generator (7), der Starter (5) und die beiden Energiespeicher (11, 13) über eine Schaltmatrix (17) aus mindestens vier, von einem Steuergerät (15) ansteuerbaren Schaltern (19, 21, 23, 25) untereinander verschaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bordnetzarchitektur für ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug, umfassend einen Generator, einen Starter für den Verbrennungsmotor, zwei Energiespeicher und mehrere elektrische Verbraucher sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz.
  • Das elektrische Bordnetz eines Kraftfahrzeuges besteht in der Regel aus einem Generator, einem Energiespeicher in Form einer Batterie und elektrischen Verbrauchern. Da der Zustand der Batterie nur mit einer großen Unsicherheit ermittelt werden kann, kann eine Gewährleistung der Startsicherheit des Verbrennungsmotors sowie eine redundante Versorgung von insbesondere sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern mit der heutigen Topologie des Bordnetzes nicht erzielt werden.
  • Aus der WO 201 3/1441 96 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Bordnetzarchitektur bekannt, welches einen hybridisierten Antriebsstrang aufweist und mit einem Niedervoltbordnetz, einem elektrischen Verbraucher, einem Energiespeicher und einem Starter für den Verbrennungsmotor ausgebildet ist, wobei das Niedervoltbordnetz einen Stützspeicher und einen Schalter zwischen dem Stützspeicher und dem weiteren Niedervoltbordnetz umfasst. Die Verwendung weiterer unabhängiger Energiequellen stellt dabei einen hohen konstruktiven Aufwand dar. Auch ein Einsatz von redundanten Spannungsversorgungen erfordert ein sehr aufwändiges Schaltungskonzept, wobei auch die Zustandsdetektion der Bordnetzarchitektur nur sehr aufwändig zu realisieren ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bordnetzarchitektur anzugeben, welche einfach zu realisieren ist und trotzdem eine zuverlässige redundante Energieversorgung des Bordnetzes zulässt.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Die Aufgabe ist mit einer Bordnetzarchitektur dadurch gelöst, dass der Generator, der Schalter und die beiden Energiespeicher über eine Schaltmatrix aus mindestens vier von einem Steuergerät ansteuerbaren Schaltern untereinander verschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass mit der Schaltmatrix Starter, Generator und die beiden Energiespeicher in unterschiedlichen Kombinationen zusammengestellt werden können, so dass sich dadurch die verschiedensten Funktionen realisieren lassen. Gleichzeitig ist eine solche Bordnetzarchitektur einfach zu realisieren.
  • Vorteilhafterweise ist ein erster Schalter zwischen dem Starter und dem Generator angeordnet, wobei ein zweiter Schalter an einem Knotenpunkt zwischen dem Starter und dem Generator und dem ersten Energiespeicher ausgebildet ist.
  • In einer Ausgestaltung ist der Starter direkt auf einen dritten Schalter geführt, welcher vor dem zweiten Energiespeicher positioniert ist.
  • In einer Variante ist der Starter direkt an einen dritten Schalter geführt, welcher vor dem zweiten Energiespeicher positioniert ist.
  • In einer Ausführungsform ist ein vierter Schalter zwischen den beiden Energiespeichern angeordnet. Durch die verschiedenen Schaltzustände der bezeichneten vier Schalter lassen sich Startfähigkeit, Redundanz der Energieversorgung und Diagnoseoptionen realisieren.
  • In einer Weiterbildung ist beim Öffnen aller Schalter der Schaltmatrix eine Diagnose der beiden Energiespeicher einfach durchführbar.
  • Vorteilhafterweise ist bei einem Schließen des ersten und des dritten Schalters der Verbrennungsmotor über den Starter aktivierbar, wobei die Energieversorgung aus dem zweiten Energiespeicher erfolgt. Durch die Entkopplung des ersten Energiespeichers erhöht sich die Verfügbarkeit der Energie und somit die Startfähigkeit des Verbrennungsmotors.
  • Vorteilhafterweise kann dann der entkoppelte erste Energiespeicher für den Startvorgang und/oder für sicherheitskritische Zustände z. B. beim Ausfall des anderen Energiespeichers verwendet werden.
  • Alternativ ist bei einem geschlossenen ersten und zweiten Schalter der Verbrennungsmotor über den Starter aktivierbar, wobei die Energieversorgung aus dem ersten Energiespeicher erfolgt. Dabei ist der zweite Energiespeicher entkoppelt.
  • In einer Ausführungsform erfolgt bei geschlossenem erstem und drittem Schalter ein Ladungsausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher. Damit wird sichergestellt, dass immer eine ausreichende Energie von den beiden Energiespeichern bereitgestellt wird.
  • In einer weiteren Variante erfolgt bei geschlossenem viertem Schalter ein Vorladen des zweiten Energiespeichers aus dem ersten Energiespeicher. Da der zweite Energiespeicher vornehmlich zum Start des Verbrennungsmotors eingesetzt wird, wird darauf geachtet, dass dieser zweite Energiespeicher einen ausreichenden Ladezustand aufweist.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, umfassend einen Generator, einen Starter für den Verbrennungsmotor, zwei Energiespeicher sowie mehrere elektrische Verbraucher. Bei einem Kraftfahrzeug, bei welchem die Startfähigkeit des Verbrennungsmotors bei jedem Zustand der Fahrzeugbatterie sichergestellt wird, weist das Bordnetz eine Bordnetzarchitektur nach einem der Merkmale dieser Schutzrechtsanmeldung auf.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel der Bordnetzarchitektur.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeuges 1, welches einen Verbrennungsmotor 3 umfasst. Der Verbrennungsmotor 3 ist dabei mit einem Starter 5 und einem Generator 7 verbunden, wobei der Generator 7 über eine erste Leitung mit einem Verbraucher 9 verbunden ist, welcher stellvertretend für eine Anzahl von Verbrauchern im Kraftfahrzeug 1 dargestellt ist. Des Weiteren sind an das Bordnetz eine erste und eine zweite Batterie 11, 13 als Energiespeicher angebunden, wobei das Bordnetz von einem elektronischen Steuergerät 15 angesteuert wird.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltmatrix 17 der Bordnetzarchitektur dargestellt. Dabei stellen die durchgezogenen Leitungen die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Teilnehmern 5, 7, 9, 11, 13 des Bordnetzes dar, während die gestrichelten Verbindungen die Steuerleitungen des elektronischen Steuergerätes 15 verdeutlichen. Die Schaltmatrix weist dabei vier Schalter 19, 21, 23, 25 auf. Der erste Schalter 19 ist zwischen dem Starter 5 und einem Knotenpunkt 27 zwischen Generator 7 und Verbraucher 9 angeordnet und führt auf den zweiten Schalter 21, welcher vor der ersten Batterie 11 positioniert ist. Darüber hinaus ist der Starter 5 direkt mit einem dritten Schalter 23 verbunden, der vor der zweiten Batterie 13 angeordnet ist. Zwischen den beiden Batterien 11, 13 ist ein vierter Schalter 25 vorgesehen, dem eine Diode 29 nachgeordnet ist.
  • Um den Ladezustand der ersten und der zweiten Batterie 11, 13 genau detektieren zu können, ist der ersten Batterie 11 ein Batteriesensor 31 und der zweiten Batterie 13 ein Batteriesensor 33 zugeordnet, die beide mit dem Steuergerät 15 verbunden sind. Die verschiedenen möglichen Schaltzustände sollen anhand der nachfolgenden Tabelle 1 näher erläutert werden.
    Schalter 19 Schalter 21 Schalter 23 Schalter 25 Funktion
    0 0 0 0 Gefahrgut/Diagnose
    0 1 0 0 Laden der ersten Batterie 11, gleichzeitig Hotelphase (Verbrennungsmotor aus) und Diagnose der zweiten Batterie 13
    0 1 1 0 Start des Verbrennungsmotors 3 aus der zweiten Batterie 13, wobei gleichzeitig ein Laden und Entladen der Batterie 13 erfolgt
    1 0 1 0 Start des Verbrennungsmotors 3, Energieversorgung der Verbraucher 9 aus der zweiten Batterie 13
    1 1 0 0 Start des Verbrennungsmotors 3, Versorgung der Verbraucher 9 aus der ersten Batterie 11
    1 1 1 0 Ladeausgleich zwischen der ersten und der zweiten Batterie 11, 13
    0 0 0 1 Vorladen der ersten Batterie 11 aus der zweiten Batterie 13
  • Aufgrund der Integration der beiden Batterien 11, 13 in das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeuges 1 kann die erste Batterie 11 hinsichtlich der Energiedichte optimiert werden. Die Kapazität der ersten Batterie 11 kann dabei vollständig zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 9 in der Stillstandsphase des Verbrennungsmotors 3 verwendet werden. Vorteilhafterweise ist die erste Batterie 11 zyklenfest ausgelegt.
  • Auch die zweite Batterie 13 ist hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit optimiert, was bedeutet, dass diese kurzfristig hohe Ströme abgeben und aufnehmen kann. Ihre Speicherfähigkeit ist begrenzt. Die zweite Batterie 13 dient hauptsächlich zur Bereitstellung der Leistung für den Startvorgang des Verbrennungsmotors 3. Die zweite Batterie 13 springt im Fehlerfall der ersten Batterie 11 ein, um die Energieversorgung der sicherheitsrelevanten Funktionen im Kraftfahrzeug zu gewährleisten.
  • Wie bereits im Zusammenhang mit Tabelle 1 erläutert, lässt die Schaltungsmatrix die verschiedensten Kombinationsmöglichkeiten der Funktion des Bordnetzes zu. So kann eine Gefahrgutschaltung genauso wie eine Diagnoseverschaltung der beiden Batterien 11, 13 erfolgen. Darüber hinaus ist ein gezieltes Laden der einzelnen Batterien 11, 13 möglich bzw. kann ein gegenseitiges Laden der Batterie 11, 13 realisiert werden. Der Start des Verbrennungsmotors 3 ist aus jeweils einer oder aus beiden Batterien 11, 13 möglich. Eine Redundanzschaltung bei Ausfall einer Batterie 11, 13 kann bei gleichzeitigem Abschalten der defekten Batterie 11, 13, beispielsweise bei einem Kurzschluss, einfach realisiert werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeug
    3
    Verbrennungsmotor
    5
    Starter
    7
    Generator
    9
    Verbraucher
    11
    Batterie
    13
    Batterie
    15
    Steuergerät
    17
    Schaltmatrix
    19
    Schalter
    21
    Schalter
    23
    Schalter
    25
    Schalter
    27
    Knotenpunkt
    29
    Diode
    31
    Batteriesensor
    33
    Batteriesensor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/144196 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Bordnetzarchitektur für ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug, umfassend einen Generator (7), einen Starter (5) für den Verbrennungsmotor (3), zwei Energiespeicher (11, 13) sowie mehrere elektrische Verbraucher (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7), der Starter (5) und die beiden Energiespeicher (11, 13) über eine Schaltmatrix (17) aus mindestens vier, von einem Steuergerät (15) ansteuerbaren Schaltern (19, 21, 23, 25) untereinander verschaltet sind.
  2. Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schalter (19) zwischen dem Starter (5) und dem Generator (7) angeordnet ist, wobei ein zweiter Schalter (21) an einem Knotenpunkt (27) zwischen dem Starter (5) und dem Generator (7) und einem der Energiespeicher (11, 13) ausgebildet ist.
  3. Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Starter (5) direkt auf einen dritten Schalter (23) führt, welcher vor dem zweiten Energiespeicher (13) positioniert ist.
  4. Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Schalter (25) zwischen den beiden Energiespeichern (11, 13) angeordnet ist.
  5. Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen aller Schalter (19, 21, 23, 25) der Schaltmatrix (17) eine Diagnose der beiden Energiespeicher (11, 13) durchführbar ist.
  6. Bordnetzarchitektur nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schließen des ersten (19) und des dritten Schalters (23) der Verbrennungsmotor (3) über den Starter (5) aktivierbar ist, wobei die Energieversorgung aus dem zweiten Energiespeicher (13) erfolgt.
  7. Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem geschlossenen ersten (19) und zweiten Schalter (23) der Verbrennungsmotor (3) über den Starter (5) aktivierbar ist, wobei die Energieversorgung aus dem ersten Energiespeicher (11) erfolgt.
  8. Bordnetzarchitektur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem ersten (19), zweiten (21) und dritten Schalter (23) ein Ladungsausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher (11, 13) erfolgt.
  9. Bordnetzarchitektur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem viertem Schalter (25) ein Vorladen des zweiten Energiespeichers (13) aus dem ersten Energiespeicher (11) erfolgt.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, umfassend einen Generator (7), einen Starter (5) für den Verbrennungsmotor (3), zwei Energiespeicher (11, 13) sowie mehrere elektrische Verbraucher (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz eine Bordnetzarchitektur nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013144196A1 (de) 2012-03-28 2013-10-03 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit einer bordnetzarchitektur und verfahren zum betreiben derselben

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013144196A1 (de) 2012-03-28 2013-10-03 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit einer bordnetzarchitektur und verfahren zum betreiben derselben

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