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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, das ein erstes elektrisches Bordnetz und zweites elektrisches Bordnetz aufweist. Das zweite elektrische Bordnetz wird über einen DC-DC-Wandler aus dem ersten Bordnetz mit elektrischer Leistung versorgt. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, das zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist.
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Bei einem Kraftfahrzeug können zwei elektrische Bordnetze vorgesehen sein, die mit unterschiedlicher elektrischer Spannung betrieben werden. So kann ein erstes Bordnetz mit einer ersten Spannung von 48 Volt und das zweite Bordnetz mit einer Spannung von 12 Volt betrieben werden. In dem 48 Volt-Bordnetz kann ein Startergenerator vorteilhaft betrieben werden. Dieser Startergenerator lässt sich auch zum Versorgen der Verbraucher im 12 Volt-Bordnetz nutzen. Hierzu sind das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz über einen DC-DC-Wandler oder Gleichspannungswandler gekoppelt oder verbunden.
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Der Startergenerator wird im Generatorbetrieb mit einem Drehmoment angetrieben, das von dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Damit auch bei einer kurzfristigen Drehzahländerung im Antriebsstrang ohne eine korrespondierende Leistungsanforderung im 48 Volt-Bordnetz ein Betrieb des Generators möglich ist, muss im 48 Volt-Bordnetz eine Batterie bereitgestellt sein, welche vom Generator erzeugte überschüssige elektrische Leistung aufnehmen kann. Genauso muss beispielsweise im Leerlauf des Verbrennungsmotors ein sprunghafter Anstieg der benötigten elektrischen Leistung in einem der elektrischen Bordnetze durch die Batterie gepuffert werden, da das angeforderte Drehmoment mit einer geringeren Dynamik nachgeführt werden muss, da ansonsten der Verbrennungsmotor blockiert oder abgewürgt wird.
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Ein Ausfall der 48 Volt-Batterie muss daher bisher zu einem Abschalten des gesamten 48 Volt-Bordnetzes führen, da der Generator allein nicht mehr betrieben werden kann. Da das 48 Volt-Bordnetz die energetische Redundanz des 12 Volt-Bordnetzes darstellt, ist in dem Kraftfahrzeug bei abgeschaltetem 48 Volt-Bordnetz nur noch die 12 Volt-Batterie für den Betrieb des 12 Volt-Bordnetzes vorhanden. Es besteht somit keine Sicherheitsredundanz mehr für 12 Volt-Verbraucher, beispielsweise das Warnblinksystem. Des Weiteren kommt es zu einem Liegenbleiber, wenn die 12 Volt-Batterie leer ist.
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Die Kopplung zweier Bordnetze über einen DC-DC-Wandler ist im Stand der Technik bekannt.
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Aus der
DE 10 2007 047 619 A1 ist beispielsweise ein Hybridantrieb mit Notstartmöglichkeit bekannt. Das Fahrzeug weist ein Niedervoltnetz mit einer Bordnetz-Batterie auf, wobei zwischen der Bordnetz-Batterie und einem Elektroantrieb eines Hochvolt-Bordnetzes ein DC-DC-Wandler vorgesehen ist. Bei entladener Hochvolt-Batterie wird Energie aus dem Niedervoltnetz über den DC-DC-Wandler in das Hochvolt-Bordnetz übertragen. Der Elektroantrieb wird durch die so im Hochvolt-Bordnetz vorhandene Energie beschleunigt und dann eine Verbrennungskraftmaschine durch den beschleunigten Elektroantrieb gestartet.
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Aus der
DE 100 59 038 B4 ist ebenfalls ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei welchem in einem ersten Bordnetz mit erster Spannung eine elektrische Maschine betrieben wird und hierzu elektrische Leistung aus einem zweiten Bordnetz mit geringerer zweiter Spannung mittels eines DC-DC-Wandlers in das erste Bordnetz übertragen wird. Während einer Anlaufphase der elektrischen Maschine bleibt der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs abgekoppelt.
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Aus der
WO 2005/085630 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer elektrischen Maschine eines Hochvolt-Bordnetzes beschrieben. Die elektrische Maschine wird mit elektrischer Leistung aus einem Niedervolt-Bordnetz in Rotation versetzt. Die elektrische Leistung wird mittels eines DC-DC-Wandlers in das Hochvolt-Bordnetz übertragen. Sobald die elektrische Maschine in Rotation versetzt ist, wird sie mittels einer Kupplung mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, um diese anzudrehen.
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Aus der
DE 10 2012 216 089 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, das einen rein-elektrischen Antrieb aufweist, der durch einen Antriebsenergiespeicher betrieben wird. Falls dieser Antriebsenergiespeicher während der Fahrt ausfällt, muss das Kraftfahrzeug sicher ausrollen können und hierbei ein Betrieb elektrischer, sicherheitsrelevanter Verbraucher gewährleistet sein. Hierzu wird die elektrische Antriebsmaschine in den Generatorbetrieb umgeschaltet und der Stromverbrauch aller elektrischen Verbraucher aber begrenzt, um eine abrupte Rekuperation zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 2012 216 004 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine bekannt, die einen Generator für ein erstes Bordnetz antreibt. Falls eine Batterie zur Pufferung des Generators im ersten Bordnetz ausfällt, wird in einen Notbetrieb geschaltet. Im Notbetrieb wird eine Stromaufnahme von elektrischen Verbrauchern im Betrag und im Gradienten begrenzt. Als elektrischer Verbraucher wird hierbei auch ein Gleichspannungswandler angesehen, der elektrische Leistung vom ersten Bordnetz in ein zweites Bordnetz überträgt. Der Gleichspannungswandler regelt eine Spannung im zweiten Bordnetz. Der Gleichspannungswandler kann umgeschaltet werden, um temporär elektrische Leistung auch in das erste Bordnetz zurück zu speisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwei elektrische Bordnetze eines Kraftfahrzeugs mit einem einzigen Generator ausfallsicher zu betreiben.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren bereitgestellt, mittels welchem ein Kraftfahrzeug betrieben werden kann, um zwei Bordnetze mit elektrischer Leistung aus einem Generator zu versorgen. Ein erstes elektrisches Bordnetz weist eine erste Batterie und den Generator auf und wird bei einer ersten elektrischen Spannung betrieben, die beispielsweise in einem Bereich von größer als 30 Volt liegen kann. Ein zweites elektrisches Bordnetz weist eine zweite Batterie auf und wird bei einer zweiten elektrischen Spannung betrieben, die kleiner als die erste elektrische Spannung ist. Die zweite elektrische Spannung kann beispielsweise in einem Bereich kleiner als 30 Volt liegen.
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Die erste Spannung und die zweite Spannung ist jeweils eine Gleichspannung. Das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz sind über einen DC-DC-Wandler oder Gleichspannungswandler gekoppelt. In einem ersten Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs wird elektrische Leistung aus der ersten Batterie und aus dem Generator mittels des DC-DC-Wandlers in das zweite Bordnetz übertragen, um einen Leistungsbedarf des zweiten Bordnetzes zu decken. Mit anderen Worten kann die zweite Batterie im zweiten Bordnetz zwar kurzzeitig einen Ausgleichsstrom zum Puffern einer sprunghaften Veränderung des Leistungsbedarfs im zweiten Bordnetz kompensieren. Im Langzeitmittel, beispielsweise über 10 Minuten oder eine Stunde hinweg, wird aber die elektrische Energie für das zweite Bordnetz effektiv durch den Generator und die erste Batterie des ersten Bordnetzes bereitgestellt.
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Wie bereits eingangs beschrieben, ist der Generator im ersten Bordnetz auf die erste Batterie angewiesen, um eine sprunghafte Veränderung der Antriebsdrehzahl des Antriebsstrangs und/oder eine sprunghafte Änderung der im ersten Bordnetz benötigten elektrischen Leistung kompensieren oder puffern zu können. Um einen stabilen oder zuverlässigen Betrieb des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Detektionseinrichtung einen Ausfall der ersten Batterie detektiert. Beispielsweise kann der Ausfall durch eine Notabschaltung der ersten Batterie verursacht sein, weil die erste Batterie beispielsweise eine Lithium-basierte Batterie ist, die vor einem Betrieb in einem schädigenden Betriebspunkt oder Betriebszustand geschützt werden soll. Auch ein abgelöstes oder abgefallenes Batteriekabel kann den Ausfall verursachen. Die Detektionseinrichtung kann beispielsweise durch eine Messschaltung zum Überwachen eines Anschlusswiderstandes der ersten Batterie bereitgestellt sein. Die Detektionseinrichtung kann auch beispielsweise den Ausfall in Abhängigkeit von einem Schaltsignal einer elektrischen Trenneinrichtung der ersten Batterie detektieren.
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Bei detektiertem Ausfall schaltet eine Begrenzungseinrichtung das Kraftfahrzeug in einen zweiten Betriebsmodus. Im zweiten Betriebsmodus ist immer noch eine Versorgung des zweiten Bordnetzes mittels des Generators möglich. Hierbei ist im zweiten Betriebsmodus ein jeweiliger Reglergrenzwert und/oder ein jeweiliger Reglerdynamikwert des Generators auf einen kleineren Wert als im ersten Betriebsmodus eingestellt. Mit anderen Worten wird eine Maximalleistung durch den Reglergrenzwert und/oder eine Reaktionsgeschwindigkeit durch den Reglerdynamikwert verringert. Die Begrenzungseinrichtung kann hierzu beispielsweise durch ein Programmmodul eines Steuergeräts realisiert sein. Die Verringerung des jeweiliger Reglergrenzwerts und/oder des jeweiligen Reglerdynamikwerts erfolgt insbesondere unter Beibehaltung des Spannungsarbeitspunkts des Generators und/oder des DC-DC-Wandlers, d.h. bei einer Arbeitsspannung im ersten Bordnetz, die der ersten Spannung, z.B. 48 Volt, entspricht.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Generator im ersten Bordnetz auch ohne die erste Batterie betrieben werden kann. Die durch den Ausfall der ersten Batterie fehlende Pufferfunktion wird dadurch kompensiert, dass mittels des zumindest eines geringeren Reglergrenzwertes und/oder des zumindest einen verringerten Reglerdynamikwerts der Generator weder sprunghaft seine erzeugte Leistung verändert noch der Antriebsstrang mit einer sprunghaften Drehmomentanforderung beaufschlagt wird. Somit ist auch ein batterieloser Betrieb des Generators im ersten Bordnetz möglich. Die Dynamik oder Veränderungsrate der Stromstärke im ersten Bordnetz wird im zweiten Betriebsmodus niedriger gehalten als im ersten Betriebsmodus, so dass der Generator weiterhin das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgen kann, bis beispielsweise das Kraftfahrzeug in eine Werkstatt gebracht wurde. Somit ist ein sogenannter Limp-Home-Betrieb („nach Hause humpeln“) ermöglicht.
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Bei dem Generator handelt es sich beispielsweise um eine Riemenantriebsmaschine oder einen Riemenstartergenerator, welcher für einen Generatorbetrieb ein Drehmoment an einem Riemen des Kraftfahrzeugs abgreift, über welchen der Generator mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf Riementriebsmaschinen. Jedes zweiteilige Fahrzeugbordnetz (mit erstem und zweitem Bordnetz) kann derart betrieben werden. Der Generator kann z.B. also auch eine Antriebmaschine im Getriebe eines Antriebsstrangs oder an einer Achse des Kraftfahrzeugs sein.
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Gemäß der Erfindung verringert die Begrenzungseinrichtung zum Einstellen des zweiten Betriebsmodus eine Reglerdynamik in dem Generator, nämlich einen maximalen Drehmomentgradienten. Auch diese Begrenzung ist betragsmäßig zu betrachten. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Drehzahlregelung der Verbrennungskraftmaschine einer Veränderung des Drehmoments des Generators folgen kann oder daran adaptieren kann. Ein sprunghafter Anstieg des Drehmoments mit einem Drehmomentgradienten größer als die eingestellte Reglerdynamik könnte ansonsten zu einem Abwürgen oder Blockieren der Verbrennungskraftmaschine führen.
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Gemäß der Erfindung wird dabei durch den DC-DC-Wandler ein Spannungswert der ersten Spannung des ersten Bordnetzes gemessen. Hierzu kann der DC-DC-Wandler in an sich bekannter Weise eine Messschaltung für den Spannungswert aufweisen. Durch den DC-DC-Wandler wird dann eine Spannungsdifferenz zwischen dem Spannungswert und einem vorbestimmten Reglersollwert ermittelt. Hierzu kann der DC-DC-Wandler beispielsweise eine Recheneinrichtung, beispielsweise einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor, aufweisen. Der Reglersollwert ist dabei der Spannungswert der ersten Spannung, den das erste Bordnetz bestimmungsgemäß aufweisen soll. Beispielsweise kann der Regelsollwert 48 Volt betragen. Der DC-DC-Wandler stellt dann ein Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz derart ein, dass die Spannungsdifferenz betragsmäßig verringert wird. Mit anderen Worten wird der aktuelle Spannungswert der ersten Spannung auf den Reglersollwert eingeregelt. Das Tastverhältnis ist hierbei das Zeitverhältnis zwischen der Einschaltzeit eines ersten Transistors und der Einschaltzeit eines zweiten Transistors, mittels welchen die DC-DC-Wandlung in an sich bekannter Weise durchgeführt wird. Als Topologie kann der DC-DC-Wandler hierzu eine Buck-Boost-Wandlertopologie aufweisen, bei welcher eine Halbbrückenschaltung mit einem Highside-Schalter, beispielsweise einem MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) und ein Lowside-Schalter (ebenfalls beispielsweise MOSFET) bereitgestellt sind, wobei zusätzlich eine Induktivität, beispielsweise eine elektrische Spule, vorhanden ist. Durch die beschriebene Spannungsregelung ergibt sich der Vorteil, dass die beschriebene Leistungsübertragung des DC-DC-Wandlers selbsttätig und immer mit dieser selben Regelung durchgeführt wird. Dies betrifft den ersten Betriebsmodus, den zweiten Betriebsmodus und auch ein Vormagnetisieren des Generators zum Starten desselben. Zudem ist der Reglersollwert unabhängig von den beschriebenen Reglergrenzwerten und der Reglerdynamik, so dass die Spannungsregelung ununterbrochen und unabhängig weiterlaufen kann, während die Begrenzungseinrichtung die Reglergrenzwerte und die Reglerdynamikwerte einstellt.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung verringert die Begrenzungseinrichtung zum Einstellen des zweiten Betriebsmodus den Reglergrenzwert für einen maximalen vom ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz übertragenen Generatorstrom des Generators. Dieser Reglergrenzwert wird im DC-DC-Wandler eingestellt. Mit anderen Worten wird bei einem Stromstärkeregler oder einer Stromstärkeüberwachung des DC-DC-Wandlers der Grenzwert für den maximal zulässigen Strom vom ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz verringert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Magnetisierung im Generator größer als ein vorbestimmter Mindestwert bleibt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Generator nicht durch Überbelastung seine Magnetisierung verliert und hierdurch die Spannungserzeugung des Generators abgebrochen oder beendet wird. Die Magnetisierung kann der Generator verlieren, wenn er anstelle einer Permanenterregung eine elektrische Erregung aufweist.
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Gemäß einer Weiterbildung verringert die Begrenzungseinrichtung zum Einstellen des zweiten Betriebsmodus als Reglerdynamikwert einen maximalen Stromgradienten in dem DC-DC-Wandler. Die Verringerung ist hierbei betragsmäßig zu betrachten. Mit anderen Worten wird eine sprunghafte Veränderung des Leistungsbedarfs im zweiten Bordnetz durch den DC-DC-Wandler geglättet oder abgedämpft oder auf einen längeren Zeitraum verteilt als der sprunghafte Anstieg selbst andauert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Generator selbst nicht mit dem sprunghaften Leistungsanstieg innerhalb desselben Zeitintervalls beaufschlagt wird, sondern der Generator seine von ihm erzeugte Leistung in einem längeren Zeitraum an die geforderte Leistung anpassen kann. Dies macht die Leistungskompensation durch die erste Batterie, die im zweiten Betriebsmodus ja ausgefallen ist, überflüssig.
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Gemäß einer Weiterbildung verringert die Begrenzungseinrichtung zum Einstellen des zweiten Betriebsmodus den Regelgrenzwert für ein maximales, an einem mechanischen Drehantrieb vom Antriebsstrang abgegriffenes Drehmoment in dem Generator. Mit anderen Worten wird die vom Generator am Antriebsstrang abgegriffene Drehkraft oder das abgegriffene Drehmoment auf einen Maximalwert, nämlich den Reglergrenzwert, begrenzt. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass der Antriebsstrang mit einem vorhersehbaren oder vorbekannten maximalen Drehmoment beaufschlagt wird und hierdurch ein Blockieren einer Verbrennungskraftmaschine des Antriebsstranges und/oder von Rädern des Antriebsstranges verhindert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung wird zum Starten des Generators ein Batteriestrom der zweiten Batterie mittels des DC-DC-Wandlers aus der zweiten Batterie des zweiten Bordnetzes in das erste Bordnetz übertragen. Mittels des übertragenen Batteriestroms wird der Generator vormagnetisiert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kraftfahrzeug auch gestartet werden kann, nachdem die erste Batterie ausgefallen und die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet worden ist.
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Gemäß einer Weiterbildung weist das zweite Bordnetz als Spannungsquelle nur die zweite Batterie und den DC-DC-Wandler auf. Mit anderen Worten ist kein eigener Generator oder zweiter Generator im zweiten Bordnetz nötig.
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Gemäß einer Weiterbildung wird das erste Bordnetz mit einer ersten Spannung in einem Bereich von 43 Volt bis 53 Volt, insbesondere 48 Volt, betrieben. Das zweite Bordnetz wird bevorzugt mit einer zweiten Spannung in einem Bereich von 10 Volt bis 15 Volt, insbesondere 12 Volt oder 14 Volt, betrieben. Somit ist bevorzugt keine Hochvolt-Spannungsebene nötig, die in einem Bereich größer als 60 Volt liegt. Die erste Spannung kann aber im Rahmen der Erfindung auch auf eine Hochvoltspannung erweitert sein.
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Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist in der beschriebenen Weise ein erstes elektrisches Bordnetz und ein zweites elektrisches Bordnetz auf, wobei das erste Bordnetz eine erste Batterie und einen Generator aufweist und wobei das zweite Bordnetz eine zweite Batterie aufweist. Das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz sind über einen DC-DC-Wandler gekoppelt. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist die beschriebene Detektionseinrichtung zum Detektieren eines Ausfalls der ersten Batterie und eine Begrenzungseinrichtung zum Umschalten des Kraftfahrzeugs von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus auf. Das Kraftfahrzeug ist hierbei dazu ausgelegt oder eingerichtet, dass es im Betrieb des Kraftfahrzeugs eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Der Generator des ersten Bordnetzes kann bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug durch einen Antriebsstrang angetrieben werden. Der Generator kann über einen Riemen mit einer Welle des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs gekoppelt sein. Der Antriebsstrang weist insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine oder einen Verbrennungsmotor auf. Der Generator kann in diesem Fall als Riemenstartergenerator ausgestaltet sein, so dass er in vorteilhafter Weise auch zum Starten der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug weist das zweite Bordnetz bevorzugt keinen eigenen Generator auf, das heißt Generatorleistung wird ausschließlich durch den Generator des ersten Bordnetzes erzeugt.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
- 2 ein schematisiertes Schaltbild eines DC-DC-Wandlers, über welchen ein erstes Bordnetz und ein zweites Bordnetz des Kraftfahrzeugs von 1 verschaltet oder gekoppelt sind; und
- 3 ein Diagramm, durch welches eine Leistungsübertragung oder ein Energiefluss in dem DC-DC-Wandler veranschaulicht ist.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 1 weist ein erstes elektrisches Bordnetz 2 und ein zweites elektrisches Bordnetz 3 auf. Die Bordnetze 2, 3 sind über einen DC-DC-Wandler 4 gekoppelt. Von dem ersten Bordnetz 2 sind eine erste Batterie 5 und Generator 6 dargestellt. Der Generator 6 kann z.B. ein Riemenstartergenerator, d.h. eine Riemenantriebsmaschine sein. Das Beispiel beschränkt sich aber nicht nur auf Riementriebsmaschinen. Jedes zweiteilige Fahrzeugbordnetz (mit erstem und zweitem Bordnetz) kann derart betrieben werden. Der Generator kann z.B. also auch eine Antriebmaschine im Getriebe eines Antriebsstrangs oder an einer Achse des Kraftfahrzeugs sein.
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Die Batterie 5 ist über eine Trenneinrichtung 7, bei der es beispielsweise um eine Relais handeln kann, von dem Rest des Bordnetzes 2 trennbar. Die erste Batterie 5 erzeugt eine erste Spannung U1 in dem ersten Bordnetz 2. Die erste Spannung U1 kann beispielsweise 48 Volt betragen. Im Betrieb erzeugt der Generator 6 ebenfalls die erste Spannung U1. Von dem zweiten Bordnetz 3 sind in 1 eine zweite Batterie 8, Verbraucher 9, 10 und ein elektrischer Starter 11 dargestellt. Die zweite Batterie 8 erzeugt eine zweite Spannung U2, die kleiner als die erste Spannung U1 ist. Die zweite Spannung U2 kann beispielsweise 12 Volt oder 14 Volt betragen.
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Bei der ersten Batterie 5 kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Batterie handeln, bei der zweiten Batterie 8 beispielsweise um eine Bleibatterie.
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Die erste Batterie 5 ist in vorbestimmten Betriebsbereichen sehr empfindlich, weshalb sie über die Trenneinrichtung 7 eingebaut ist, welche die erste Batterie 5 vom ersten Bordnetz 2 elektrisch trennen kann, falls einer der bekannten, für die erste Batterie 5 ungeeigneten Betriebsbereiche erreicht wird. Dann wird bei dem Kraftfahrzeug 1 das zweite Bordnetz 3 ohne die erste Batterie 5 betrieben, wobei aber der redundante Energiespeicher in Form der ersten Batterie 5 im ersten Bordnetz 2 fehlt, um Leistungsüberschüsse und/oder Leistungsdefizite des Generators 6 kompensieren zu können.
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Bei dem Kraftfahrzeug 1 muss deshalb aber nicht das gesamte erste Bordnetz 2 außer Betrieb genommen werden. Stattdessen wird das zweite Bordnetz 3 trotzdem weiter betrieben oder beim Start des Kraftfahrzeugs 1 in Betrieb genommen. Dies ist hier als batterieloser Betrieb des ersten Bordnetzes 2 bezeichnet.
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Das erste Bordnetz 2 und das zweite Bordnetz 3 teilen sich die gleiche elektrische Masse 12. Im Falle des Verbrauchers 10 und des Starters 11 wird die Masse 12 über ein Motor-Masse-Band 13 und einen Antriebsstrang 14 zu dem Verbraucher 10 und dem Starter 11 geführt.
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Somit beziehen sich bei dem Kraftfahrzeug 1 alle Verbraucher auf die gleiche elektrische Referenzmasse oder kurz Masse 12. Im Kraftfahrzeug 1 ist dies beispielsweise die Karosserie. Die beschriebene Besonderheit betrifft die Verbraucher, die beispielsweise am Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine 15 oder allgemein am Antriebsstrang 14 verbaut sind, die als gemeinsames Potential zunächst den Antriebsstrang 14 aufweisen. Dieser wird an einer festgelegten Stelle mit dem Motor-Masse-Band 13 definiert mit dem Massepotential der Masse 12 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Somit gibt es im Kraftfahrzeug 1 zwei Arten von Verbrauchern. Solche die direkt mit der Masse 12 der Karosserie verbunden sind und solche, die sich eine gemeinsame Masse auf dem Antriebsstrang 14 teilen, der wiederum mit der Masse 12 der Karosserie verbunden ist.
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Der Generator 6 hat zwei Betriebsarten: Motor und Generator. Im Motorbetrieb nimmt er Energie aus dem ersten Bordnetz 2 auf und wandelt diese in mechanische Energie, um die Verbrennungskraftmaschine 15 des Kraftfahrzeugs 1 zu starten und/oder die Verbrennungskraftmaschine 15 beim Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 als Hybridantrieb zu unterstützen. Im Generatorbetrieb ist der Generator 6 eine Energiequelle. Hier wird er von der Verbrennungskraftmaschine 15 des Antriebsstranges 14 angetrieben, das heißt mit einem Drehmoment beaufschlagt. Der Generator 6 versorgt dann das erste Bordnetz 2 mit der ersten Spannung U1 und lädt die erste Batterie 5.
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Das zweite Bordnetz 3 braucht keinen eigenen Generator, der die zweite Spannung U2 generiert. Stattdessen wird die vom Generator 6 erzeugte elektrische Leistung auch dazu genutzt, den elektrischen Leistungsbedarf des zweiten Bordnetzes 3 zu decken oder zu kompensieren oder bereitzustellen. Hierzu überträgt der DC-DC-Wandler 4 die elektrische Leistung des Generators 6 aus dem ersten Bordnetz 2 in das zweite Bordnetz 3.
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Falls die erste Batterie 5 von dem Generator 6 getrennt wird, weil beispielsweise der beschriebene unerwünschte Betriebsbereich erreicht ist, so wird dies durch eine Detektionseinrichtung 16 detektiert. Die Detektionseinrichtung 16 kann beispielsweise ein Programmmodul eines Steuergeräts umfassen, welches von der Trenneinrichtung 7 ein Trennsignal 17 empfängt. Die Detektionseinrichtung 16 kann auch beispielsweise einen Kontakt zwischen der Batterie 5 und einem Anschlusskabel der Batterie 5 überwachen und bei einem Wegfall oder Verlust des Kontaktes ebenfalls einen Ausfall der Batterie 5 im ersten Bordnetz 2 detektieren. Hierzu kann die Detektionseinrichtung 16 auch eine Detektionsschaltung aufweisen.
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Die Detektionseinrichtung 16 signalisiert den Ausfall der Batterie 5 im ersten Bordnetz 2 durch ein Ausfallssignal 18. Das Kraftfahrzeug 1 weist des Weiteren eine Begrenzungseinrichtung 19 auf, welche in Abhängigkeit von dem Ausfallsignal 18 bei dem Generator 6 einen Reglergrenzwert 20 und einen Reglerdynamikwert 21 einstellt. Die Begrenzungseinrichtung 19 stellt des Weiteren einen Reglergrenzwert 22 und einen Reglerdynamikwert 23 bei dem DC-DC-Wandler 4 ein. Die Begrenzungseinrichtung 19 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Programmmoduls eines Steuergeräts bereitgestellt sein.
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Durch das Einstellen der Reglergrenzwerte 20, 22 und der Reglerdynamikwerte 21, 23 wird das Kraftfahrzeug 1 von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus gewechselt oder umgeschaltet. Der erste Betriebsmodus sieht den Betrieb des ersten Bordnetzes 2 mit der Batterie 5 vor. Der zweite Betriebsmodus sieht den batterielosen Betrieb des ersten Bordnetzes 2 ohne die Batterie 5, das heißt mit ausgefallener Batterie 5, vor.
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Durch den Reglergrenzwert 20 wird bei dem Generator 6 ein maximales, vom Antriebsstrang 14 abgegriffenes Drehmoment derart festgelegt, dass der Generator 6 im zweiten Betriebsmodus ein geringeres maximales Drehmoment am Antriebsstrang 14 abgreift als im ersten Betriebsmodus. Durch den Reglerdynamikwert 21 wird ein maximaler Drehmomentgradient des Drehmoment auf einen betragsmäßig kleineren Wert als im ersten Betriebsmodus eingestellt. Durch den Reglergrenzwert 22 wird bei dem DC-DC-Wandler 4 ein maximal vom ersten Bordnetz 2 in das zweite Bordnetz 3 übertragener Generatorstrom I des Generators 6 festgelegt. Der maximale Generatorstrom I ist im zweiten Betriebsmodus kleiner als im ersten Betriebsmodus. Durch den Reglerdynamikwert 23 wird ein maximaler Stromgradient des Generatorstroms I festgelegt. Im zweiten Betriebsmodus ist der Stromgradient hierdurch auf einen betragsmäßig kleineren Wert als im ersten Betriebsmodus eingestellt.
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Insgesamt ist hierdurch die Dynamik oder Änderungsrate des zwischen den Bordnetzen 2, 3 übertragenen Generatorstromes I niedriger im zweite Betriebsmodus als im ersten Betriebsmodus. Hierdurch kann der Generator 6 weiterhin einen Generatorbetrieb sicherstellen und das Kraftfahrzeug 1 mit elektrischer Leistung oder elektrischer Energie versorgen, bis das Kraftfahrzeug 1 beispielsweise in eine Werkstatt gebracht wurde, wo der Fehler bei der ersten Batterie 5 behoben werden kann. Somit ergibt sich ein Limp-Home-Betrieb auf der Grundlage des batterielosen Betriebs des ersten Bordnetzes 2.
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Falls der Generator 6 zum Fahren oder Betreiben des Kraftfahrzeugs 1 erst in Betrieb genommen werden muss, muss der Generator 6 vormagnetisiert werden, falls er keine eigene Permanentmagneterregung aufweist. Die Inbetriebnahme erfolgt über den DC-DC-Wandler 4 aus dem zweiten Bordnetz 3. Beim Einschalten des Generators 6 sinkt die erste Spannung U1 im ersten Bordnetz 2 unter einen im DC-DC-Wandler 4 gespeicherten und überwachten Reglersollwert. Hier gleicht der DC-DC-Wandler 4 mit einem Leistungsfluss von dem zweiten Bordnetz 3 in das erste Bordnetz 2 den Spannungswert der Spannung U1 aus, so dass die erste Spannung U1 wieder auf den Reglersollwert angehoben wird. Hierdurch ist es möglich, den Generator 6 mit elektrischer Leistung aus dem zweiten Bordnetz 3 vorzugmagnetisieren und dann in Betrieb zu nehmen. Es wird somit durch den DC-DC-Wandler 4 ein Batteriestrom der zweiten Batterie 8 in das erste Bordnetz 2 übertragen.
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Insgesamt ergibt sich durch die beschriebenen Maßnahmen eine Definition eines Betriebszustands „batterieloser Betrieb“, das heißt des zweiten Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs 1. Die Systemfunktion „batterieloser Betrieb“ schaltet mittels der Reduktionseinrichtung im DC-DC-Wandler 4 und im Generator 6 die Reglergrenzwerte und die Reglerdynamikwerte derart um, dass der Betrieb des ersten Bordnetzes 2 in engeren Dynamikgrenzen erfolgt. Hierdurch ist die Pufferfunktion der ersten Batterie 5 überflüssig.
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Durch den zweiten Betriebsmodus ergibt sich kein Verlust der Redundanz im zweiten Bordnetz 3, da weiterhin sowohl die Batterie 8 als auch der Generator 6 zum Versorgen der Verbraucher 9, 10 zur Verfügung stehen. Somit führt der Ausfall der Batterie 5 nicht zu einem Liegenbleiber des Kraftfahrzeugs 1, da das Kraftfahrzeug 1 weiterhin den Motor 15, das heißt die Verbrennungskraftmaschine, betreiben kann. Somit ist ein Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 in der Lage, bei einem Fehler der Batterie 5 in eine Werkstatt zu fahren.
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2 und 3 veranschaulichen nochmals die Funktionsweise des DC-DC-Wandlers 4. Der DC-DC-Wandler 4 ermöglicht einen bidirektionalen Energiefluss E oder Leistungsfluss zwischen dem ersten Bordnetz 2 und dem zweiten Bordnetz 3. Der DC-DC-Wandler 4 kann hierzu als Buck-Boost-Wandler ausgestaltet sein. Er weist ein oder mehrere Phasen mit einer am Highside-Schalter 24 und einem Lowside-Schalter 25 auf. Die Schalter 24, 25 können beispielsweise als MOSFET ausgestaltet sein. Die Schalter 24, 25 können durch eine Steuereinrichtung 26 gesteuert sein. Die Steuereinrichtung 26 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers gebildet sein. Des Weiteren umfasst der DC-DC-Wandler 4 in der beschriebenen Topologie eine Induktivität 27. Durch die Steuereinrichtung 26 werden der Schalter 24 und der Schalter 25 abwechselnd in einen elektrisch leitenden Zustand geschaltet. Währenddessen ist der jeweils andere Schalter 25, 24 in einen elektrisch sperrenden Zustand geschaltet.
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3 veranschaulicht hierzu einen Energiefluss E von dem ersten Bordnetz 2 in das zweite Bordnetz 3. Dargestellt ist der DC-DC-Wandler 4 in den beiden Schaltzuständen des Schaltzyklus 28. Jeweils rechts daneben ist in einem Diagramm über der Zeit t der Generatorstrom I dargestellt, der in das zweite Bordnetz 3 übertragen wird. Der jeweils im elektrisch leitenden Zustand geschaltete Schalter 24 ist mit durchgezogenen Linie gezeichnet, der im elektrisch sperrenden Zustand geschaltete Schalter 25 mit gestrichelten Linien. Der tatsächliche Stromstärkeverlauf 29 weist einen gezackten Verlauf auf, der durch das wechselnde Schalten in den Schaltzyklen 28 erfolgt. Der Schaltzustand S1 (Highside-Schalter 24 elektrisch leitend), wird während eines Schaltzyklus 28 für eine Zeit t1 eingestellt. Der Schaltzustand S2 (Lowside-Schalter 25 elektrisch leitend), wird für eine Schaltdauer t2 eingestellt. Das Verhältnis von t1 zu t2 ergibt das Tastverhältnis des DC-DC-Wandlers 4. Es wird in Abhängigkeit davon eingestellt, welche Spannungsdifferenz die aktuelle erste Spannung U1 von einem Reglersollwert 30 aufweist, der durch die Steuereinrichtung 26 überwacht wird. In den beiden Diagrammen ist jeweils durch die dicke Linie der sich ergebenden Stromverlauf 29 während des jeweiligen Schaltzustands S1, S2 dargestellt. Des Weiteren ist in Diagrammen ein mittlerer Stromstärkeverlauf 31 veranschaulicht. Durch den Reglergrenzwert 22 wird ein Maximalwert 32 des Generatorstroms I festgelegt, der mittlere Stromverlauf 31 wird durch den DC-DC-Wandler 4 auf einen Wert kleiner als der Grenzwert 32 eingestellt, selbst wenn sich hierdurch eine Spannungsdifferenz ungleich 0 für den aktuellen Spannungswert der ersten Spannung U1 bezüglich des Reglersollwerts 30 ergibt. Durch den Reglerdynamikwert 23 wird ein Stromgradient 33 des Stromstärkeverlaufs 31 betragsmäßig unter den Maximalwert gemäß dem Reglerdynamikwert 23 eingestellt. Der Gradient 33 ist in 3 symbolisch durch ein Steigungsdreieck repräsentiert.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung mittels eines 48V-Riemenstartergenerators (RSG) ein batterieloser Betrieb für einen Notlauf realisiert werden kann.
