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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fahrzeug-Stromversorgung und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Steuereinheit, das bzw. die eine stabilisierte Spannungsversorgung erlaubt.
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Zum Betrieb elektrischer Verbraucher, die auch als Lasten bezeichnet werden, sind in Kraftfahrzeugen Bordnetze vorgesehen. Einige Arten von Verbrauchern sind besonders empfindlich gegenüber Spannungseinbrüche oder Spannungsspitzen in der Versorgungsspannung, beispielsweise Bordnetzelektronik oder auch die Beleuchtung. Werden derartige sensitive Verbraucher einem Spannungseinbruch oder einer Spannungsspitze ausgesetzt, so kann deren Funktion zumindest teilweise beeinträchtigt werden. Hierbei kann der Betrieb des Fahrzeugs beeinträchtigt sein und/oder es ergeben sich unerwünschte Nebeneffekte wie eine kurzzeitige Verdunkelung der Beleuchtung des Kraftfahrzeugs.
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Ferner sind insbesondere in modernen Fahrzeugen dynamische elektrische Verbraucher vorhanden, deren Betrieb einen starken Spannungseinbruch verursachen kann, etwa ein Startermotor eines Start/Stopp-Moduls oder ein Antrieb einer elektrischen Lenkung, wie sie in Einparkassistenten eingesetzt werden. Insbesondere diese dynamischen Verbraucher werden auch während des Betriebs des Fahrzeugs und nicht nur beim ersten Kaltstart bzw. beim Abstellen des Fahrzeugs aktiviert.
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In der
DE 10 2012 203 467 A1 ist eine Bordnetztopologie mit mehreren Unternetzen dargestellt, in der unter anderem sensitive Lasten versorgt werden, deren Funktion von der Betriebsspannung abhängt, sowie Lasten versorgt werden, deren Betriebsspannung von 12–14 Volt ohne funktionelle Nachteile für die bestreffende Last (in Grenzen) variabel sein kann. Es wurde jedoch erkannt, dass Verbesserungsbedarf bei der Versorgung von sensitiven Lasten besteht, insbesondere während Startvorgängen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Herangehensweise aufzuzeigen, mit der sich die Spannungsversorgung in Bordnetzen von Fahrzeugen noch weiter verbessern lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Besondere Ausführungsformen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung ermöglicht auf einfache Weise, ein Bordnetz auch bei elektrischen Verbrauchern mit starker Verbrauchsdynamik zu stabilisieren, insbesondere während Startvorgängen. Dies betrifft auch Startvorgänge aus dem Stillstand und vorallem bei Startvorgängen während des Fahrens und bei Fahrzeuggeschwindigkeiten > 20 km/h. Insbesondere wird bei unterschiedlichen Arten von Startvorgängen sowie bei der Rekuperation die Spannungsstabilität verbessert. Insbesondere werden vorhandene Energiespeicher effektiv eingesetzt. Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich eine robustere und verlässlichere Netzwerkstabilisierung realisieren, bei der insbesondere eine Überlastung, beispielsweise Überladung oder zu hohe Betriebstemperaturen eines zusätzlichen Energiespeichers und/oder zumindest einer anderen Komponenten in den Bordnetzzweigen vermieden wird. Zudem kann eine Störung von sensitiven Verbrauchern durch Verbraucher, deren Betrieb Spannungsschwankungen im Bordnetz hervorrufen kann, verringert werden.
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Es ist im Rahmen der hier beschriebenen Vorgehensweise vorgesehen, dass ein Bordnetz eines Fahrzeugs in mehrere Bordnetzzweige zumindest in Hinblick auf Funktion aufgetrennt oder unterteilt ist. Neben Bordnetzzweigen mit dynamischen Verbrauchern, die aufgrund von hohem und sprunghaftem Strombedarf Spannungsschwankungen verursachen können, besteht ein davon abtrennbarer Bordnetzzweig, in dem sensitive Verbraucher vorgesehen sind. Die Spannung, mit der die sensitiven Verbraucher versorgt werden, d.h. die Spannung in dem abtrennbaren Bordnetzzweig, kann stabiler gehalten werden als die Spannung in Bordnetzzweigen mit dynamischen Verbrauchern, da durch die hier vorgeschlagene Schaltungstopologie der mit sensitiven Verbrauchern vorgesehene Bordnetzzweig von anderen Bordnetzzweigen (insbesondere von Bordnetzzweigen mit dynamischen Verbrauchern) zumindest teilweise entkoppelt werden kann. Insbesondere kann der mit sensitiven Verbrauchern vorgesehene Bordnetzzweig gezielt durch Kopplung mit einem Bordnetzzweig, der einen Energiespeicher umfasst, gestützt werden, während andere Bordnetzzweige, die dynamische Verbraucher aufweisen, von einem anderen Energiespeicher oder einer anderen Energiequelle versorgt werden. Die hier vorgeschlagene Steuereinheit ist zum gesteuerten Austausch zwischen mehreren Bordnetzzweigen ausgestattet und realisiert die steuerbare Kopplung oder Abkopplung eines Bordnetzzweigs mit sensitiven Verbrauchern von anderen Bordnetzzweigen, die einen dynamischen Verbraucher aufweisen und/oder einen Energiespeicher (bzw. andere Energiequellen) aufweisen. Es lassen sich Bordnetzzweige verbinden, um dynamische Verbraucher an Energiequellen oder Energiespeicher anzuschließen, während entkoppelt hiervon sensitive Verbraucher mit anderen Energiequellen oder Energiespeicher verbunden werden. Ferner wird ein Bordnetz beschrieben, in dem die erwähnte Entkopplung mittels der hier beschriebenen Steuereinheit realisiert ist.
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Es wird daher eine Steuereinheit zum gesteuerten Austausch elektrischer Leistung zwischen einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten Bordnetzzweig eines Bordnetzes eines Fahrzeugs beschrieben.
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Die Steuereinheit umfasst eine erste, zweite und dritte Schaltvorrichtung. Ferner umfasst die Steuereinheit einen ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss. Diese Anschlüsse sind zum Anschluss an die Bordnetzzweige eingerichtet, etwa indem diese als elektrische Steck- oder Schraubkontakt oder auch als Leitungsabschnitt ausgebildet sind, der zu dem betreffenden Bordnetzzweig (oder zumindest einer Komponente hiervon) führt.
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Die erste Schaltvorrichtung ist zwischen dem ersten Anschluss und dem vierten Anschluss angeschlossen. Die zweite Schaltvorrichtung ist zwischen dem vierten Anschluss und dem dritten Anschluss angeschlossen. Die dritte Schaltvorrichtung ist zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss angeschlossen. Die Schaltvorrichtungen sind insbesondere seriell zwischen den betreffenden Anschlüssen angeschlossen bzw. verbinden diese. Durch die drei Schaltvorrichtungen können insgesamt vier Bordnetzzweige voneinander gesteuert getrennt oder miteinander verbunden werden. Zwischen den einzelnen Anschlüssen ist somit einer der Schaltvorrichtungen vorgesehen bzw. verbindet diese gesteuert. Die Anschlüsse bzw. die Schaltvorrichtungen befinden sich insbesondere in einer positiven Spannungsebene, während als Bezugspotential ein (gemeinsames) Massepotential vorgesehen ist. Die sich ergebende Topologie kann als Fünfpol angesehen werden, der die vier Anschlüsse und die Masse (bzw. einen entsprechenden Masseanschluss) umfasst.
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Die erste Schaltvorrichtung kann eine Diode aufweisen. Diese Diode ist parallel zur ersten Schaltvorrichtung geschaltet ist. Die Durchlassrichtung dieser Diode weist vom ersten Anschluss zum vierten Anschluss. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die zweite Schaltvorrichtung eine Diode aufweisen. Diese Diode ist parallel zur zweiten Schaltvorrichtung geschaltet. Die Durchlassrichtung dieser letztgenannten Diode weist vom dritten Anschluss zum vierten Anschluss. Eine Diode verbindet den ersten mit dem vierten Anschluss, wobei die Durchlassrichtung vom ersten zum vierten Anschluss weist. Eine andere Diode verbindet den dritten mit dem vierten Anschluss, wobei deren Durchlassrichtung vom dritten zum vierten Anschluss weist.
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Die Diode kann ein diskretes Bauteil sein, das parallel zur Schaltvorrichtung angeschlossen ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Schaltvorrichtung selbst nicht als inhärentes Merkmal eine derartige Diode aufweist, etwa einer Schaltvorrichtung in Form eines elektromechanischen Schalters, eines Bipolartransistors, eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder eines Feldeffekttransistors (insbesondere ein MOSFET), dessen Source-Anschluss nicht direkt mit dem Substrat des Transistors verbunden ist. Die Diode kann innerhalb der Schaltvorrichtung vorgesehen sein oder auch außerhalb der Schaltvorrichtung, wobei die Diode an die betreffenden Anschlüsse angeschlossen. Die Diode kann ferner als Substratdiode (insbesondere als Rückwärtsdiode) vorgesehen sein, die in dem Substrat eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors wie ein MOSFET vorgesehen ist. Als Schaltvorrichtung werden vorzugsweise MOSFETs mit Rückwärtsdiode als parallel geschaltete Diode verwendet (insbesondere n-MOSFETs), wobei jedoch auch elektromechanische Schalter verwendet werden können, etwa wenn weniger als ca. 1 Mio. Schaltspiele in der Lebensdauer des Schalters zu erwarten sind (d.h. abhängig von der Anwendung).
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Eine als MOSFET ausgeführte Schaltvorrichtung (insbesondere die erste Schaltvorrichtung) kann eine Source aufweisen, die mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und kann ein Drain aufweisen, der mit dem vierten Anschluss verbunden ist. Eine weitere als MOSFET ausgeführte Schaltvorrichtung (insbesondere die zweite Schaltvorrichtung) kann eine Source aufweisen, die mit dem dritten Anschluss verbunden ist, und kann ein Drain aufweisen, der mit dem vierten Anschluss verbunden ist. Die Drains der Schaltvorrichtungen sind miteinander verbunden, wobei mit deren Verbindungsstelle der vierte Anschluss verbunden ist. Die MOSFETs weisen Rückwärtsdioden auf, deren Durchlassrichtungen zu dem vierten Anschluss weisen. Die dritte Schaltvorrichtung kann als elektromechanischer Schalter oder als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Eine Diode parallel zur dritten Schaltvorrichtung ist optional und kann ggf. weggelassen werden. Parallel zur dritten Schaltvorrichtung können auch zwei Dioden angeordnet. Diese können antiseriell zueinander verschaltet sein. Die Durchlassrichtung der Diode oder der Dioden parallel zur dritten Schaltvorrichtung kann zu dem dritten Anschluss hin weisen oder kann von diesem weg weisen.
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Die Schaltvorrichtungen können elektromechanische Schalter oder Halbleiterschalter sein. Insbesondere sind die Schaltvorrichtungen Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren oder IGBTs. Die Schaltvorrichtungen der Steuereinheit können unterschiedlichen Typs oder gleichen Typs sein. Als Typ werden die vorangehend genannten Ausführungen der Schaltvorrichtungen bezeichnet. Insbesondere kann die dritte Schaltvorrichtung als elektromechanischer Schalter ausgebildet sein. Die erste und/oder die zweite Schaltvorrichtung ist vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildet, insbesondere als MOSFET, wobei in spezifischen Ausführungsformen zumindest eine der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung als elektromechanischer Schalter ausgebildet sein können.
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Die Steuereinheit kann mit einer Schaltungsanordnung ausgestattet sein, die die Schaltzustände der Schaltvorrichtungen einstellt. Die Schaltungsanordnung ist mit Steuereingängen der Schaltvorrichtungen zum Einstellen von Schaltzuständen der Schaltvorrichtungen verbunden. Die Schaltungsanordnung ist eingerichtet ist, zumindest einen der folgenden Schaltzustände der Schaltvorrichtungen einzustellen:
- (a) Ein Entladeschutzzustand, bei dem die dritte Schaltvorrichtung geöffnet ist und die erste und die zweite Schaltvorrichtung geöffnet oder geschlossen sind.
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In diesem Zustand ist ein Energiespeicher, der an dem zweiten Anschluss angeschlossen ist, vor Tiefentladung (d.h. vor Unterspannung) geschützt. Ferner wird dadurch ein weiteres Entladen dieses Energiespeichers verhindert.
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Der Entladeschutzzustand wird eingestellt, wenn beispielsweise die Spannung an dem zweiten Anschluss unter einer vorgegebenen Grenze liegt oder der Ladezustand (SoC, State of Charge) unter einer vorgegebenen Grenze liegt. Hierzu kann eine Spannungserfassungeinheit vorgesehen sein, die mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, um dort die Spannung ggü. Masse zu ermittelt. Die Spannungserfassungeinheit ist mit der Schaltungsanordnung verbunden, um den betreffenden Spannungswert an diese zu übermitteln.
- (b) Ein Überspannungsschutzzustand, bei dem die erste, zweite und dritte Schaltvorrichtung geschlossen sind oder bei dem die dritte Schaltvorrichtung geöffnet ist, und die erste und die zweite Schaltvorrichtung geschlossen sind. Alternativ sind in diesem Zustand die erste und die dritte Schaltvorrichtung geöffnet und die zweite Schaltvorrichtung geschlossen.
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In diesem Zustand ist ein Energiespeicher, der an dem zweiten Anschluss angeschlossen ist, vor Überladung (d.h. vor Überspannung) geschützt. Ferner wird dadurch ein weiteres Laden dieses Energiespeichers verhindert. Der Energiespeicher wird ferner durch Übertragung von Leistung an andere Anschlüsse entladen, insbesondere durch Leistungsübertragung an den dritten (oder auch an den ersten) Anschluss.
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Der Überspannungsschutzzustand wird eingestellt, wenn die Spannung an dem zweiten Anschluss über einer vorgegebenen Grenze liegt. Hierzu kann die Spannungserfassungeinheit verwendet werden. Ferner kann der Überspannungsschutzzustand eingestellt, wenn die Spannung an dem dritten Anschluss über einer vorgegebenen Grenze liegt. In diesem Fall werden die erste und die dritte Schaltvorrichtung geöffnet bzw. sind geöffnet.
- (c) ein Belastungsschutzzustand, bei dem die erste und/oder die zweite Schaltvorrichtung geöffnet sind. In diesem Zustand wird verhindert, dass Leistung (bzw. Ladung) an einen Energiespeicher übertragen wird, der an dem ersten Anschluss angeschlossen ist. Dadurch wird die Häufigkeit der Ladung verringert, wodurch sich die Lebensdauer des Energiespeichers erhöht, der an dem ersten Anschluss angeschlossen ist. Über den Schaltzustand der ersten Schaltvorrichtung kann definiert werden, wann der vorangehend genannte Energiespeicher geladen wird, und wann ein Laden unterbunden wird.
- (d) Ein Ladezustand, bei dem die erste Schaltvorrichtung geschlossen ist. Dadurch werden die Ladezustände im Sinne des Zustands (c) limitiert, wobei nur im Ladezustand geladen werden kann und bei offener erster Schaltvorrichtung (d.h. Ladezustand liegt nicht vor) ein Laden unterbunden wird, um durch die verringerte Anzahl von Ladevorgängen den Energiespeicher (insbesondere eine Blei-Säure-Batterie angeschlossen an den ersten Anschluss) zu schonen. Der Ladezustand wird eingestellt, wenn ein Ladebefehl von einer übergeordneten Steuereinheit (die mit der Schaltungsanordnung verbunden ist) ausgegeben wird.
- (e) Ein Rekuperationszustand, bei dem die erste Schaltvorrichtung geöffnet ist und die zweite und die dritte Schaltvorrichtung geschlossen sind. In diesem Zustand kann Leistung von dem dritten Anschluss, an den etwa ein Generator (oder Starter-Generator) angeschlossen sein kann, an andere Anschlüsse übertragen werden, etwa an den zweiten oder vierten Anschluss. Die Leistung kann vom dritten Anschluss an Lasten oder an Energiespeicher übertragen werden, die an den zweiten oder vierten Anschluss angeschlossen sind. Hierbei kann der Generator (bzw. Starter-Generator) elektrische Leistung erzeugen, etwa rekuperierte Leistung, die über die Steuereinheit an Lasten oder Energiespeicher übertragen wird. Diese Leistung ist typischerweise im Bereich von 3–5 kW (bei Betriebsspannungen von 12 V–14 V) oder auch (bei Betriebsspannungen von 40 V oder mehr) bis zu 8 kW oder 20 kW (oder auch mehr), um eine Bremskraft für das Fahrzeug zu erzeugen und so kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Leistung umzuwandeln.
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Der Rekuperationszustand wird eingestellt, wenn das Fahrzeug unter Erzeugung von Rekuperationsleistung abgebremst wird, insbesondere mittels des Generators, der an den dritten Anschluss angeschlossen ist.
- (f) Ein Voreinstellungszustand, bei dem die erste Schaltvorrichtung geöffnet ist und die zweite und die dritte Schaltvorrichtung geschlossen sind.
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Durch die offene erste Schaltvorrichtung wird verhindert, dass sich der zweite Energiespeicher sich zum ersten Energiespeicher hin entlädt. Ein Ladestrom zum ersten Energiespeicher wird unterbunden. Ferner wird ermöglicht, dass der zweite Energiespeicher das Bordnetz im Ruhezustand (d.h. im Voreinstellungszustand) versorgt.
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Dieser Zustand ist vor Fahrtbeginn eingestellt bzw. wird eingestellt, wenn das Fahrzeug abgestellt wird. Dieser Zustand entspricht einem Ruhemodus des Fahrzeuges.
- (g) Ein Boostzustand, bei dem die erste Schaltvorrichtung geschlossen ist, die zweite Schaltvorrichtung geöffnet ist und die dritte Schaltvorrichtung geschlossen ist.
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Dieser Zustand ermöglicht die Übertragung von Leistung von dem zweiten Anschluss (bzw. von dem daran angeschlossenen Energiespeicher) an den dritten Anschluss (insbesondere an die daran angeschlossenen elektrische Maschine, die als Motor arbeiten kann, d.h. ein Booster-Motor). Es kann elektrische Leistung an den Booster-Motor übertragen werden, der Traktionsleistung erzeugt. Der Boostzustand wird eingestellt, wenn ein elektrischer Zusatzantrieb aktiv ist. Der elektrische Zusatzantrieb ist als Booster-Motor ausgebildet.
- (h) Ein Erststartzustand, bei dem die erste Schaltvorrichtung (50) geöffnet ist und die zweite und die dritte Schaltvorrichtung (51, 52) geschlossen sind.
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Hierbei wird Leistung vom zweiten Anschluss (etwa von einer daran angeschlossenen Batterie) an den dritten Anschluss übertragen, insbesondere an einen daran angeschlossenen Starter oder an einen daran angeschlossenen Starter-Generator oder an einen daran angeschlossenen Booster-Motor, der Traktionsleistung erzeugt und als elektrische Maschine ausgebildet ist. Alternativ kann der erste Energiespeicher einen Starter antreiben, die beide im gleichen Bordnetzzweig (angeschlossen an dem ersten Anschluss) sind. Je nach Betriebsparameter wie Temperatur des Verbrennungsmotors kann die erstgenannte Möglichkeit oder die zweitgenannte Alternative umgesetzt werden.
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Alternativ können Starter-Generator am dritten Anschluss und Starter am ersten Anschluss gleichzeitig bzw. synchron den Startvorgang des Verbrennungsmotors herbeiführen, wobei hierzu die entsprechenden Schaltvorrichtungen geschlossen werden.
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Dieser Zustand wird eingestellt, wenn das Fahrzeug und insbesondere dessen Verbrennungsmotor gestartet wird.
- (i) Ein erweiterter Startzustand, bei dem die zweite Schaltvorrichtung geschlossen ist und die erste und die dritte Schaltvorrichtung geschlossen sind. Ferner ermöglicht dies die (davon unabhängige) Übertragung von Leistung von dem zweiten Anschluss an den vierten Anschluss, etwa um Leistung von einem Energiespeicher, der an den zweiten Anschluss angeschlossen ist, an sensitive Verbraucher zu übertragen, die an den vierten Anschluss angeschlossen sind.
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Dieser Zustand wird eingestellt, wenn das Fahrzeug und insbesondere dessen Verbrennungsmotor gestartet wird, insbesondere bei einem sich bewegenden Fahrzeug, vorzugsweise bei Geschwindigkeiten unterhalb einer vorgegebenen Grenze wie etwa 50 km/h oder 20 km/h oder auch 5 km/h.
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Bei Startvorgängen kann der Starter Leistung von dem ersten Energiespeicher erhalten. Als weitere Variante kann ein Starter an dem dritten Anschluss zum Starten verwendet werden. Hierbei erhält der Starter Leistung von dem zweiten Energiespeicher.
- (j) Ein Schnellstartzustand, bei dem die erste, die zweite und die dritte Schaltvorrichtung (50–52) geschlossen sind.
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Dies ermöglicht einen Leistungsfluss von den ersten und zweiten Anschlüssen an den dritten Anschluss. Dadurch kann Leistung von einem Energiespeicher, der an den ersten Anschluss angeschlossen ist sowie Leistung von einem (weiteren) Energiespeicher, der an den zweiten Anschluss angeschlossen ist, an den Starter bzw. Starter-Generator und/oder Booster-Motor übertragen werden, der an den dritten Anschluss angeschlossen ist.
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Der Schnellstartzustand wird eingestellt, wenn sich das Fahrzeug bewegt, insbesondere mit einer Geschwindigkeit G, und der Verbrennungsmotor gestartet wird. Die Geschwindigkeit G liegt über einer Grenze, welcher größer ist als die zum erweiterten Startzustand definierte Grenze, und beträgt mindestens 20 km/h, 50 km/h, 80 km/h oder 90 km/h oder auch mindestens 120 km/h. Über einer weiteren Grenze, die größer ist als die vorangehend genannten Grenzen, wird vorzugsweise kein Startvorgang ausgeführt. Alternativ kann der Schnellstartzustand auch eingestellt werden unabhängig von der Geschwindigkeit G.
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Insbesondere wird (als Leistungsfähigkeitsmaß) der Ladezustand, die Spannung, der maximal abrufbarer Strom oder der Innenleitwert des ersten und zweiten Energiespeichers erfasst. Der Innenleitwert ist insbesondere der Innenleitwert des betreffenden Energiespeichers, kann jedoch auch die Summe aus dem Innenleitwert des betreffenden Energiespeichers und dem Leitwert weiterer Komponenten sein, etwa der Schaltvorrichtungen und/oder elektrischer Kontaktelemente und/oder elektrischer Leitungen. Für zumindest eine der genannten Größen wird ermittelt, ob diese über einer vorbestimmten Grenze, unter einer vorbestimmten Grenze oder außerhalb eines vorbestimmten Intervalls liegt. Falls dies zutrifft, wird der Schnellstartzustand freigegeben und gemäß einem entsprechenden Befehl eingestellt, oder wird direkt eingestellt. Die genannten Größen können von einer Speicherzustandserfassungseinheit ermittelt werden, die insbesondere mit einer Schaltungsanordnung verbunden ist, welche den Schaltungszustand der Schaltvorrichtung steuert. Die Speicherzustandserfassungseinheit kann mit zumindest einem Stromsensor verbunden sein, die einen Strom erfasst, die in der Steuereinheit und insbesondere an einem Anschluss oder an einem Energiespeicher fließt, und/oder kann mit zumindest einer Spannungserfassungsvorrichtung verbunden sein, die eine Spannung oder ein Potential in der Steuereinheit erfasst, insbesondere an einer der Energiespeicher oder an einem der Anschlüsse.
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Wenn ermittelt wird, dass der erste und/oder zweite Energiespeicher in der Lage sind, einen Startvorgang auszuführen bzw. Energie dafür zur Verfügung zu stellen, dann kann ein Verbrennungsmotor bei fahrendem Fahrzeug ausgestellt werden, wobei das Ausstellen des Verbrennungsmotors blockiert wird, wenn die der erste und/oder zweite Energiespeicher nicht in der Lage sind, einen Startvorgang auszuführen bzw. durch bereitstellen von Energie zu unterstützen. Ob der erste und/oder zweite Energiespeicher in der Lage sind, einen Startvorgang auszuführen bzw. zu unterstützen wird anhand der in vorangehenden Abschnitt genannten Größen ermittelt, insbesondere durch Vergleich mit den betreffenden vorbestimmten Grenzen. Dies ermöglicht bei fahrendem Fahrzeug, den Verbrennungsmotor auszustellen und zu Segeln (d.h. antriebslos zu Rollen), wenn vorher ermittelt wurde, dass die Energiespeicher zum erneuten Starten des Verbrennungsmotor in der Lage sind. Beim erneute Starten wird insbesondere der Schnellstartzustand eingestellt. Zunächst wird vorzugsweise nur einer der Energiespeicher (d.h. der erste oder der zweite Energiespeicher) verwendet, um den Starter (der vorzugsweise an dem dritten Anschluss angeschlossen ist) zu versorgen. Ferner können beide Energiespeicher verwendet werden, um den Startvorgang gemeinsam durchzuführen, insbesondere wenn ermittelt wurde, dass ein (oder zwei) Startvorgänge mit nur einem Energiespeicher erfolglos versucht wurden.
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Vorzugsweise weist die Steuereinheit eine Speicherzustandserfassungseinheit auf, die mit der Schaltungsanordnung verbunden ist. Die Speicherzustandserfassungseinheit ist ferner mit einem Stromsensor und/oder einer Spannungserfassungsvorrichtung verbunden und ist eingerichtet, um ein Leistungsfähigkeitsmaß zumindest einer der Energiespeicher zu ermitteln, insbesondere anhand der Daten des Stromsensors oder der Spannungserfassungsvorrichtung. Die Speicherzustandserfassungseinheit oder die Schaltungsanordnung ist insbesondere eingerichtet, bei einem Leistungsfähigkeitsmaß, das über einer vorgegebenen Grenze liegt, eine Verbrennungsmotor-Abschaltempfehlung zu erzeugen. Die Schaltungsanordnung stellt vorzugsweise bei Erhalt eines Verbrennungsmotor-Einschaltbefehls den erweiterten Startzustand (i) oder den Schnellstartzustand (j) ein. Die Steuereinheit umfasst optional einen Eingang zum Anschluss an eine übergeordnete Motorsteuerungseinheit, welche den Verbrennungsmotor-Abschaltbefehl und den Verbrennungsmotor-Einschaltbefehl erzeugt. Zudem umfasst die Steuereinheit optional einen Ausgang, an dem die Verbrennungsmotor-Abschaltempfehlung angegeben werden kann, insbesondere an die übergeordnete Motorsteuerungseinheit. Ferner verfügt die Steuereinheit vorzugsweise über einen Geschwindigkeitseingang, über den die Steuereinheit Geschwindigkeitsdaten des Fahrzeugs erhalten kann. Die Steuereinheit kann bei der Ansteuerung der Zustände (i) und (j) (oder auch anderer Zustände) eine zusätzliche, zu erfüllende Bedingung vorsehen, die darin besteht, dass die Geschwindigkeit über einer vorgegebenen Grenze (oder unter einen vorgegebenen Grenze liegt).
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Die Grenze, über dem das Leistungsfähigkeitsmaß liegen muss, um eine Abschaltempfehlung zu erzeugen, hängt vorzugsweise von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab, die insbesondere an dem Geschwindigkeitseingang anliegt. Je größer die Geschwindigkeit, desto höher liegt die Grenze, da bei höheren Geschwindigkeiten erfolglos bleibende Startversuche des Verbrennungsmotors kritischer sind, als bei geringen Geschwindigkeiten. Alternativ oder in Kombination zur Geschwindigkeit kann ein vorausliegendes Gefälle der Fahrstrecke als eine Größe verwendet werden, die die Grenze beeinflusst.
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Das Leistungsfähigkeitsmaß gibt die abrufbare Energiemenge in dem betreffenden Energiespeicher wieder und gibt insbesondere wieder, für welche Anzahl an Startvorgängen des Verbrennungsmotors die abrufbare Energiemenge ausreicht. Die vorangehend genannte Grenze kann einem ganzzahligen Vielfachen einer Energiemenge entsprechen, die zum Durchführen eines Startvorgangs dem Energiespeicher entnommen wird, gegebenenfalls zuzüglich einer vorbestimmten Sicherheitsmarge. Das ganzzahlige Vielfache kann beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von mehr als 80 km/h (mindestens) 4 betragen, bei einer Geschwindigkeit von mehr als 40 km/h (jedoch nicht mehr als 80 km/h) 3 betragen und kann ggf. bei Geschwindigkeiten unter bspw. 40 km/h 2 betragen. Anstatt der genannten Geschwindigkeitswerte können allgemein mehrere (d.h. 2, 3 oder mehr) unterschiedliche Geschwindigkeitsintervalle (geschlossene oder offene Intervalle) verwendet werden, die unterschiedlichen positiven, ganzen Zahlen N zugeordnet sind, wobei die Zahlen N den vorangehend genannten Vielfachen entsprechen.
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Zudem kann die Steuereinheit einen Aktivitätseingang aufweisen, an dem die Steuereinheit ein Signal empfangen kann, der den Aktivitätszustand des Verbrennungsmotors wiedergibt. Die hier beschriebenen Ein- und Ausgänge können Schnittstellen sein, insbesondere Busschnittstellen, und sind insbesondere körperlich integriert zu einer oder zu mehreren Schnittstellenelementen.
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Wird ein vom ersten Bordnetzzweig (bzw. vom ersten Anschluss) abgehender Strom (insbesondere zum zweiten oder dritten Bordnetzzweig bzw. zweiten oder dritten Anschluss) erfasst, der über einer vorbestimmten Grenze liegt, oder wird eine Spannung am vierten Anschluss gemessen, die unter eine vorgestimmten Grenze liegt, wird die zweite Schaltvorrichtung geöffnet. Dadurch erhält der dritte Anschluss, an dem der Starter oder Starter-Generator angeschlossen ist, nur noch Leistung von dem zweiten Energiespeicher, wobei der erste Energiespeicher entlastet wird und den vierten Bordnetzzweig über den vierten Anschluss versorgen kann. Die erste Schaltvorrichtung bleibt hierbei geschlossen. Sind am vierten Anschluss sensitive Lasten oder sensitive Verbraucher angeschlossen, so wird deren Versorgung gewährleistet und Spannungseinbrüche werden vermieden, da die sensitiven Verbraucher durch Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung von dem Starter (als störende Last) abgekoppelt werden und eine eigene (getrennte) Spannungsversorgung in Form des ersten Energiespeichers erhalten.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei Geschwindigkeiten, die wie oben bemerkt über einer Grenzgeschwindigkeit liegen, ein Startvorgang von einem Starter/Generator im dritten Bordnetzzweig auszuführen ist. Um die Energie für den Startvorgang bereitzustellen, wird der zweite Energiespeicher verwendet. Um den vierten Bordnetzzweig ungestört weiterhin versorgen zu können, wird der zweite Schalter geöffnet, wodurch eine Beeinflussung durch den Startvorgang vermieden wird. Da die Energie für den Startvorgang aus dem zweiten Energiespeicher entnommen wird, wird zunächst die Leistungsfähigkeitsmaß des zweiten Energiespeicher (anhand der Ladezustand, die Klemmenspannung, Alterungszustand, Temperatur und/oder der Innenwiderstand) überprüft. Falls das Leistungsfähigkeitsmaß ausreichend ist (über eine vorgegebenen Grenze liegt), dann wird der zweite Schalter geöffnet und der Startvorgang wird durchgeführt. Ferner wird das zu erfüllende Leistungsfähigkeitsmaß ist umso höher, je größer die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Dies gewährleistet, dass mehr als einen Startvorgang (kurz aufeinanderfolgend) mit dem zweiten Energiespeicher insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten sicher ausgeführt werden kann. Kurz aufeinanderfolgende Startvorgänge treten auf, wenn ein erster (oder auch ein nächster) Startvorgang nicht zum erfolgreichen Starten des Verbrennungsmotors führt. Das Leistungsfähigkeitsmaß des ersten Energiespeichers wird in gleicher Weise überprüft, um sicherzugehen, dass dieser den vierten Bordnetzzweig versorgen kann, während der zweite Schalter geöffnet ist. Sind die Leistungsfähigkeitsmaße des zweite und/oder der erste Energiespeicher in diesem Sinne nicht ausreichend, so wird keine Verbrennungsmotor-Ausschaltempfehlung abgegeben bzw. der Verbrennungsmotor nicht ausgestellt. Somit ergibt sich bei zu geringen Leistungsfähigkeitsmaß kein Fortbewegungszustand mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor.
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Das zu erfüllende Leistungsfähigkeitsmaß ist umso höher, je größer die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Dies gewährleistet, dass mehr als einen Startvorgang (kurz aufeinanderfolgend) mit dem zweiten Energiespeicher insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten sicher ausgeführt werden kann. Kurz aufeinanderfolgende Startvorgänge treten auf, wenn ein erster (oder auch ein nächster) Startvorgang nicht zum erfolgreichen Starten des Verbrennungsmotors führt.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, dass ein Stromsensor zwischen zwei Anschlüssen und insbesondere zwischen einem Anschluss und einer Schaltvorrichtung vorgesehen ist. Der Stromsensor kann einen Ausgang aufweisen, der mit der Schaltungsanordnung verbunden ist. Es kann ein Stromsensor vorgesehen sein, zwischen dem ersten Anschluss und der ersten Schaltvorrichtung angeschlossen ist. Alternativ oder in Kombination hiermit kann ein Stromsensor zwischen dem dritten Anschluss und der dritten Schaltvorrichtung angeschlossen sein. Die Orte, an denen Stromsensoren vorliegen können, sind in 1 mit einem X gekennzeichnet.
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Mittels der Stromsensoren können beispielsweise Strompfade und/oder Schaltzustände bzw. die Schaltvorrichtungen überwacht werden. Ferner können die Energiespeicher überwacht werden, insbesondere deren Leistungsfähigkeit, etwa anhand des Ladezustands, des Alterungszustands, der Temperatur, des Innenwiderstands und/oder der Klemmenspannung, um beispielsweise ein Leistungsfähigkeitsmaß zu ermitteln.
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D.h. die Ermittlung der Leistungsfähigkeit insbesondere für den Segelbetrieb (bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor) gilt für alle Komponenten der vier Bordnetzzweige. Diese umfassen: elektrische Speicher, Schaltvorrichtungen, Kontakte, elektrische Verbindungen, Leitungen, elektrische Maschinen und die Steuereinheiten selbst.
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Weiterhin kann die Steuereinheit einen DC/DC-Wandler aufweisen. Dieser ist vorzugsweise zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeschlossen sein. Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise ein bidirektionaler Wandler. Dieser kann einen Leistungsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss unterstützen, insbesondere um Leistung von einem der genannten Anschlüsse an einen Energiespeicher zu übertragen, der an einen anderen der genannten Anschlüsse angeschlossen ist. Mit dem DC/DC-Wandler kann der erste Energiespeicher geladen werden, insbesondere aus dem zweiten Energiespeicher. Ferner kann auch ein Ladestrom in umgekehrter Richtung von dem DC/DC-Wandler übertragen werden, insbesondere um den zweiten Energiespeicher vorzuladen. Vorzugsweise ist dem DC/DC-Wandler mindestens ein Stromsensor vor- oder nachgeschaltet, insbesondere um den durch den Wandler fließenden Strom zu erfassen.
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Weiterhin wird ein Fahrzeugbordnetz beschrieben, das mit einer wie hier beschriebenen Steuereinheit ausgestattet ist. Mittels der Steuereinheit werden die Bordnetzzweige des Fahrzeugbordnetzes steuerbar getrennt bzw. verbunden.
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Das Fahrzeugbordnetz umfasst den ersten, zweiten, dritte und vierten Bordnetzzweig. Der erste Bordnetzzweig ist mit dem ersten Anschluss verbunden. Der zweite Bordnetzzweig ist mit dem zweiten Anschluss. Der dritte Bordnetzzweig ist mit dem dritten Anschluss verbunden. Der vierte Bordnetzzweig ist mit dem vierten Anschluss verbunden. Die Verbindung zwischen Bordnetzzweig und betreffendem Anschluss kann eine lösbare oder unlösbare elektrische Verbindung sein, beispielsweise eine Steck- oder Schraubverbindung einerseits bzw. eine Lötverbindung andererseits.
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Insbesondere zum Anschluss des ersten Energiespeichers können Leitungen verwendet werden, die einen räumlichen Abstand zu den weiteren Komponenten von mehr als einem Meter ermöglichen. Die Leitungen sind vorzugsweise aus Aluminium oder auch aus Kupfer.
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In dem ersten Bordnetzzweig ist ein Verbrennungsmotorstarter vorgesehen, insbesondere ein Ritzelstarter. Ferner ist in dem ersten Bordnetzzweig ein elektrischer Energiespeicher etwa in Form einer Starterbatterie vorgesehen. Diese ist insbesondere als Bleiakkumulator (oder auch als Li-Ionenakkumulator) ausgeführt.
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In dem ersten Bordnetzzweig kann ferner zumindest ein betriebsspannungsvariabler Verbraucher vorgesehen sein. Als betriebsspannungsvariabler Verbraucher werden Verbraucher angesehen, deren Versorgungsspannung variieren kann, ohne dass deren Betrieb fortdauernd oder temporär gestört wird. Etwa eine Innenraumbeleuchtung oder eine elektrische Komponenten einer Klimaanlage (oder Scheibenheizung) kann mit einer variablen Spannung versorgt werden, wobei zwar die Ausgangsleistung mit der Spannung variiert, jedoch der Betrieb nicht grundsätzlich durch eine variierende Versorgungsspannung gestört wird. So können betriebsspannungsvariable Verbraucher durch eine variable Versorgungsspannung auch (kurze) Aussetzer im Betrieb aufweisen, die jedoch keine Auswirkungen auf sicherheitsrelevante Funktionen des Fahrzeugs haben. Fällt etwa die Innenraumbeleuchtung oder die Klimaanlage kurzzeitig (etwa für ca. 100 ms, ca. 1 s oder für ca. 10 s) aus, so kann sich der Fahrer nach dem Ausfall wieder optisch orientieren, ohne dass durch den Ausfall ein Sicherheitsproblem entstanden wäre. Eine Klimaanlage oder Scheibenheizung ist ein Wandler von elektrischer Energie, dessen Ausgangsgröße ein integrierendes Verhalten aufweist (Wärme oder Kälte etwa akkumuliert sich mit der Zeit). Ein betriebsspannungsvariabler Verbraucher ist somit auch ein Wandler elektrischer Energie, dessen Minderleistung oder Ausfall für eine Zeitspanne durch den integrativen Charakter nicht zu einer wesentlich variierenden Ausgangsgröße (etwa Innenraumtemperatur) führt.
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In dem zweiten Bordnetzzweig ist ein weiterer elektrischer Speicher vorgesehen. Dieser kann als Lithiumakkumulator oder als Superkondensatoranordnung ausgebildet sein, wobei auch Bleiakkumulatoren in Betracht kommen. Eine Superkondensatoranordnung ist mit mindestens einem Superkondensator („Supercap“) ausgestattet. Die Superkondensatoranordnung kann ein oder mehrere Superkondensatoren umfassen, wobei bei mehreren Superkondensatoren diese parallel und vorzugsweise seriell verbunden sein können. Die Superkondensatoranordnung kann ferner DC/DC-Wandler umfassen, um anhand der Kondensatorspannung eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die von der Kondensatorspannung abweicht, insbesondere um eine Verringerung der Kondensatorspannung zumindest teilweise zu kompensieren. Dieser Wandler kann dem hier beschriebenen Wandler entsprechen, dessen Anschluss ggf. modifiziert werden muss.
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Der weitere elektrische Speicher kann eine geringere Speicherkapazität als der elektrische Speicher im ersten Bordnetzzweig haben. In dem zweiten Bordnetzzweig ist ferner optional zumindest ein betriebsspannungsvariabler Verbraucher vorgesehen. Als betriebsspannungsvariabler Verbraucher im zweiten Bordnetz kommen die hierin genannten betriebsspannungsvariablen Verbraucher in Betracht (Innenraumbeleuchtung, elektrische Komponente einer Klimaanlage, elektrische Heizung, Scheibenheizung, ...).
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In dem dritten Bordnetzzweig ist zumindest ein betriebsspannungsvariabler Verbraucher vorgesehen, etwa eine elektrische Komponente einer Klimaanlage oder eine Fahrzeuginnenbeleuchtung oder ein anderer betriebsspannungsvariabler Verbraucher wie er hierin beschrieben ist, etwa ein betriebsspannungsvariabler Verbraucher in der Art, wie er im zweiten Bordnetzzweig vorliegen kann. Ferner ist in dem dritten Bordnetzzweig ein (elektromechanischer) Generator vorgesehen. Dieser kann in Form einer Lichtmaschine oder eines Starter-Generators sein oder kann allgemein eine elektrische Maschine sein, die etwa Traktionsleistung erzeugt, etwa um den Antrieb zu unterstützen oder das Fahrzeug zu bewegen, insbesondere in Form des Booster-Motors.
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Auch Starter oder Starter-Generatoren können als betriebsspannungsvariable Verbraucher betrachtet werden können, da diese Ihre Funktion auch bei Spannungseinbrüchen (von bis zu –60 %, –30 % oder –20 % der Nennbetriebsspannung) ausführen können. Die Nennbetriebsspannung kann insbesondere 12 oder 14 Volt betragen.
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In dem vierten Bordnetzzweig ist ein Verbraucher mit einer Minimal-Betriebsspannung vorgesehen. Dieser wird auch als sensitive Last oder sensitiver Verbraucher angesehen. Dieser Verbraucher ist etwa eine (zusätzliche) elektrische Lenkung bzw. Lenkverstärkung, eine Fahrzeugbeleuchtung, eine Cockpitanzeige oder Cockpitbeleuchtung, eine Verbrennungsmotorsteuerung oder eine Bordelektronik. Sensitive Verbraucher führen eine sicherheits- oder betriebsrelevante Funktion im Fahrzeug aus, die das Fahren, Bremsen, Lenken sowie das Signalisieren (nach außen) betrifft, d.h. Funktionen, die zum ordnungsgemäßen Betrieb eines Fahrzeugs (hinsichtlich Vorschriftsmäßigkeit von Verkehrsmitteln im Sinne einer Hauptuntersuchung bzw. Sicherheitsprüfung im Sinne des § 29 StVZO Deutschlands) erforderlich sind, sowie auch Fahrerassistenzsysteme. Etwa eine Motorsteuerungselektronik ist ein Verbraucher mit einer Minimal-Betriebsspannung, da Spannungseinbrüche zum zumindest temporären Ausfall der Motorsteuerungsfunktion oder Fehlfunktionen führen können, die zum sicheren Betrieb eines Fahrzeugs erforderlich ist, während eine Innenraumbeleuchtung bei Spannungseinbruch zwar in der Funktion vermindert wird, diese Verminderung der Leuchtkraft jedoch nicht sicherheitsrelevant ist. Gegebenenfalls können auch Verbraucher, die Komfortfunktionen realisieren, als sensitiver Verbraucher angesehen werden, wenn durch einen Spannungseinbruch der Betrieb temporär unterbrochen wird, wie bei Unterhaltungselektronik wie Musikanlagen, Navigationsgeräten und ähnlichem.
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Der Energiespeicher des zweiten Bordnetzzweigs kann ein Kurzzeitspeicher sein, dessen Kapazität deutlich geringer ist als die des Energiespeichers des ersten Bordnetzes, etwa um einen Faktor von mindestens 1/2, 1/10 oder 1/20 oder besonders bevorzugt mindestens 1/50 oder 1/100, als die Kapazität des Energiespeichers des ersten Bordnetzzweigs. Der Energiespeicher des zweiten Bordnetzzweigs kann eine Superkondensatoranordnung sein oder ein Lithium oder NiMH-Akkumulator, wobei in geringem Umfang auch Blei-Akkumulatoren verwendet werden können. Der Energiespeichers des ersten Bordnetzzweigs kann ein Blei- oder NiMH-Akkumulator sein. Bei einer Verwendung einer Superkondensatoranordnung hat diese vorzugsweise eine Kapazität von mindestens 50 F, 300 F, 500 F, 1000 F, vorzugsweise von mindestens 5000 F, 10000 F oder 12000 F.
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Die hier beschriebene Steuereinheit kann insbesondere für Spannungen unter 60 Volt vorgesehen sein, beispielsweise für Bordnetzzweige mit 12, 14, 24 oder 48 Volt als Nennspannung.
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Der Verbraucher im ersten (oder auch im dritten) Bordnetzzweig, d. h. im speziellen der Starter oder der Starter/Generator des Verbrennungsmotors, kann ferner eine elektrische Maschine (zur Erzeugung von Traktionsleistung und/oder zur Rekuperation) oder ein elektrischer Antrieb sein, der insbesondere mehr als 50, 100, 200, 500 oder 1000 Ampere zum Betrieb anfordert, etwa eine elektrische Lenkung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugbordnetzes mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinheit.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugbordnetzes mit einem ersten Bordnetzzweig 10, einem zweiten Bordnetzzweig 20, einem dritten Bordnetzzweig 30 und einem vierten Bordnetzzweig 11. Die Bordnetzzweige 10, 20, 30 und 11 sind mittels einer Steuereinheit 40 miteinander verbunden. Der erste Bordnetzzweig 10 umfasst einen (betriebsspannungvariablen) Verbraucher 12 bzw. einen Starter Verbraucher 12‘ sowie einen ersten elektrischen Energiespeicher 14 etwa in Form eines Blei-Säure-Akkumulators. Der erste elektrische Energiespeicher 14 wird als Starterbatterie verwendet. Der Verbraucher 12 bzw. 12‘ ist ein elektrischer Verbraucher mit hoher Stromanforderung geeignet zur Erzeugung von Spannungseinbrüchen im Bordnetz. Der Verbraucher 12‘ ist als Startermotor für ein Verbrennungsmotor ausgebildet, insbesondere als Riemen- oder Ritzelstarter.
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In dem zweiten Bordnetzzweig ist als elektrischer Energiespeicher 22 vorgesehen, der beispielsweise als Lithium-Akkumulator ausgebildet ist. Alternativ kann als der Energiespeicher 22 eine Superkondensatoranordnung sein. Der Verbraucher 24 innerhalb des zweiten Bordnetzzweigs 20 stellt eine optionale Komponente dar. Der Verbraucher 24 kann beispielsweise realisiert sein als Datensteuerung oder Zustandsüberwachung, die dem zweiter Leistungsspeicher 22 zugeordnet ist, um zumindest einen Betriebsparameter des zweiten Energiespeichers 22 zu überwachen, zu steuern oder zu regeln, beispielsweise den Ladungszustand.
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Das dritte Bordnetz 30 umfasst einen Generator 32 (etwa eine Lichtmaschine oder ein Starter/Generator oder eine elektrische Maschine, insbesondere zur Wandlung von elektrischer Leistung in Traktionsleistung oder umgekehrt zur Rekuperation) sowie einen Verbraucher 34. Mit dem Bezugszeichen 32 wird insbesondere ein Booster-Motor bezeichnet, der Traktionsleistung erzeugt und der als elektrische Maschine ausgebildet ist.
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Der Verbraucher 34 entspricht einen betriebsspannungsvariablen Verbraucher.
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Eine Steuereinheit 40 ist mit dem ersten, zweiten, dritten und vierten Bordnetzzweig 10, 20, 30 und 11 verbunden. Insbesondere verbindet die Steuereinheit die vier Bordnetze untereinander. Die Steuereinheit verbindet hierbei ein Versorgungspotential, d. h. das positive Versorgungspotential der vier Bordnetzzweige gesteuert miteinander. Die Bordnetzzweige haben in der Topologie, wie sie in 1 dargestellt ist, ein gemeinsames weiteres Versorgungspotential, d. h. Masse. Zum Anschluss der Bordnetzzweige 10, 20, 30, 11 an die Steuereinheit 40 umfasst die Steuereinheit einen ersten Anschluss 41, einen zweiten Anschluss 42, einen dritten Anschluss 43 und einen vierten Anschluss 44. Der erste Anschluss 41 ist zur Verbindung mit dem ersten Bordnetzzweig 10 eingerichtet, der zweite Anschluss 42 ist zur Verbindung mit dem zweiten Bordnetzzweig 20 eingerichtet, der dritte Anschluss 43 ist zur Verbindung mit dem dritten Bordnetzzweig 30 eingerichtet und der vierte Anschluss 44 ist zur Verbindung mit dem vierten Bordnetzzweig 11 eingerichtet.
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Die vier als Leistungsanschlüsse vorgesehene Anschlüsse 41–44 sind als elektrische Kontakte ausgeführt, beispielsweise als Steckkontakte und/oder Schraubkontakte, und sind insbesondere aufgrund ihres Querschnitts und Materials eingerichtet, Stromstärken von mindestens 50 Ampere, insbesondere von mindestens 100 Ampere und vorzugsweise von mindestens 200 Ampere oder mindestens 600 oder 1000 Ampere zu übertragen.
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Die Steuereinheit 40 umfasst eine erste Schaltvorrichtung 50, eine zweite Schaltvorrichtung 51 und eine dritte Schaltvorrichtung 52. Die erste, zweite und dritte Schaltvorrichtung sind jeweils als MOSFET (n-MOSFET) ausgebildet. Alternativ kann die dritte Schaltvorrichtung 52 als elektromechanischer steuerbarer Schalter ausgebildet sein, etwa als Relais (Leistungsrelais) oder ein Schütz. In der ersten Schaltvorrichtung 50 ist zudem eine Diode 50‘ eingezeichnet, die insbesondere als Substratdiode (vorzugsweise als Rückwärtsdiode) ausgebildet ist. Die Diode 50‘ ist dargestellt, um einen möglichen Stromfluss vom ersten Bordnetzzweig 10 zum vierten Bordnetzzweig 11 zu erlauben, der auch ohne Ansteuerung (bzw. im offenen Schaltzustand) der Schaltvorrichtung 50 stattfindet, wenn die Spannung im dritten Bordnetzzweig 30 – unter Berücksichtigung der Durchlassspannung der betreffenden Diode – entsprechend geringer ist als die Spannung im ersten Bordnetzzweig 10 (und die zweite Schaltvorrichtung 51 geschlossen ist). Auch parallel zu der zweiten Schaltvorrichtung 51 ist eine Diode 51' vorgesehen, deren Durchlassrichtung vom dritten Anschluss 43 zum vierten Anschluss 44 führt. Durch diese Diode kann auch ohne Ansteuerung (bzw. im offenen Schaltzustand) der Schaltvorrichtung 51 Strom von dem zweiten Anschluss 42 zum vierten Anschluss 44 fließen. Hierzu sollte die Schaltvorrichtung 50 geöffnet sein.
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Wenn daher die Spannung im vierten Bordnetzzweig 11 geringer ist als die Spannung im ersten Bordnetzzweig 10, wird der vierte Bordnetzzweig 11 von der Spannung des ersten Bordnetzzweigs 10 (d.h. von dessen Energiespeicher 14) versorgt, unabhängig vom Schaltzustand der ersten Schaltvorrichtung 50. Wenn die Spannung im vierten Bordnetzzweig 11 geringer ist als die Spannung im dritten Bordnetzzweig 30, wird der vierte Bordnetzzweig 11 von der Spannung des dritten Bordnetzzweigs 10 (d.h. von dessen Energiespeicher 22) versorgt, unabhängig vom Schaltzustand der zweiten Schaltvorrichtung 51. Eine umgekehrte Flussrichtung ist ausschließlich bei geschlossener Schaltvorrichtung 50 bzw. 51 möglich. Die dritte Schaltvorrichtung 52 verbindet schaltbar den zweiten Anschluss mit dem dritten Anschluss. Dadurch kann bei geschlossener dritter Schaltvorrichtung 52 der vierte Bordnetzzweig 11 Strom von dem zweiten Bordnetzzweig 20 erhalten.
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Parallel zur dritten Schaltvorrichtung 52 kann eine Diode in Form einer diskreten Diode geschaltet sein, oder es kann eine Substratdiode (insbesondere eine Rückwärtsdiode) parallel zur dritten Schaltvorrichtung wirken. Im letztgenannten Fall ist die dritte Schaltvorrichtung ein MOSFET (insbesondere ein n-MOSFET), der die Rückwärtsdiode aufweist. Die Diode parallel zur dritten Schaltvorrichtung 52 hat eine Durchlassrichtung, die vom zweiten Anschluss 42 zum dritten Anschluss 43 weist. Dadurch kann auch ohne Ansteuerung der dritten Schaltvorrichtung 52 (bzw. bei offenem Schaltzustand) Strom von dem zweiten Bordnetzzweig in den dritten Bordnetzzweig fließen.
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Ein optionaler DC-DC-Wandler 70 verbindet den ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss in bidirektionaler Weise, so dass bei hohem Spannungspegel oder bei Energieüberschuss (bzw. bei hohem Ladezustand) im zweiten Bordnetzzweig 20 Strom von dem zweiten Bordnetzzweig 20 über den DC-DC-Wandler abfließen kann. Ferner kann Strom in umgekehrter Richtung fließen, wenn der zweite Bordnetzzweig 20 einen geringen Spannungspegel aufweist. Als hoher Spannungspegel wird eine Spannung bezeichnet, die über einer vorgegebenen Obergrenze liegt, etwa die Maximalspannung des Energiespeichers 22. Als geringer Spannungspegel wird eine Spannung bezeichnet, die unter einer vorgegebenen Untergrenze des Energiespeichers 22 liegt. Der DC-DC-Wandler weist einen Steuereingang 80 auf.
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Die Schaltvorrichtungen 50–52 umfassen jeweils einen Steuerungseingang, insbesondere einen Gate-Anschluss, der mit der Schaltungsanordnung 60 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 60 steuert den Schaltungszustand der ersten, zweiten und dritten Schaltvorrichtung 50, 51 und 52.
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Die in 1 dargestellte Topologie in Form eines Fünfpols weist Pole A–E auf. Der Pol A befindet sich an dem Übergang der Steuereinheit 40 zum ersten Bordnetzzweig 10. Der Pol C befindet sich an dem Übergang der Steuereinheit 40 zum zweiten Bordnetzzweig 20 bzw. zum positiven Anschluss des zweiten Energiespeichers 22. Der Pol B befindet sich an dem Übergang der Steuereinheit 40 zum dritten Bordnetzzweig 30. Der Pol D ist als Masseanschluss der Bordnetzzweige 10, 20, 30 und 11 vorgesehen. Der Pol E befindet sich an dem Übergang der Steuereinheit 40 zum vierten Bordnetzzweig 11.
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Es sind Stromsensoren an den Stellen vorgesehen, die mit einem Kreuz gekennzeichnet sind, um den dort fließenden Strom zu erfassen. Es kann ferner eine Spannungserfassungsvorrichtung (zur besseren Übersicht nicht dargestellt) vorgesehen sein, die mit dem (positiven) Anschluss zumindest eines Bordspannungsnetzes verbunden ist. Vorzugsweise sind alle Bordnetzzweige mit einer derartigen Spannungserfassungsvorrichtung verbunden. Die Spannungserfassungsvorrichtung und die Stromsensoren haben einen Ausgang, der mit einem Signaleingang der Schaltungsanordnung 60 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 60 ist eingerichtet, die betreffenden Signale zu verarbeiten und anhand der Signale die Schaltvorrichtungen 50–52 zu steuern. Die Spannungserfassungsvorrichtung kann A/D-Wandler aufweisen, die in der Schaltungsanordnung 60 vorgesehen sind. Die A/D-Wandler sind über Signalleitungen mit den betreffenden (positiven) Kontaktstellen der Bordnetzzweige verbunden, um deren Potential gegenüber Masse oder differentiell zu erfassen. Ein Stromsensor kann zwischen der zweiten Schaltvorrichtung und dem dritten Anschluss, zwischen der dritten Schaltvorrichtung und dem dritten Anschluss sowie zwischen der zweiten und der dritten Schaltvorrichtung einerseits und dem dritten Anschluss andererseits geschaltet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 20, 30, 11
- erster–vierter Bordnetzzweig
- 12
- betriebsspannungsvariabler Verbraucher (optional)
- 12'
- Verbraucher (Startermotor oder Starter (z.B. Ritzelstarter)
- 14
- Starterbatterie
- 22
- weiterer elektrischer Speicher
- 24, 34
- betriebsspannungsvariabler Verbraucher
- 32
- Starter oder Starter/Generator oder Starter/Generator mit Booster-Motor
- 40
- Steuereinheit
- 41–44
- erster bis vierter Anschluss
- 50–52
- erste bis dritte Schaltvorrichtung
- 50', 51'
- Diode
- 60
- Schaltungsanordnung zur Steuerung der Schaltvorrichtungen
- 70
- DC/DC-Wandler
- 80
- Dateneingang
- A–E
- Pole
- X
- beispielhafte Stelle für Stromsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203467 A1 [0004]
