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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung in einem Fahrzeugbordnetz.
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Das Bordnetz in einem Fahrzeug umfasst einen Kabelbaum, einen Energiespeicher, eine Energiequelle und elektrische Verbraucher. Grundsätzlich können dabei auch mehrere Energiespeicher oder Energiequellen eingesetzt werden. Während in einem herkömmlichen Fahrzeug mit einem 12 V-Energiebordnetz ein Generator als Energiequelle zum Einsatz kommt, wird die Versorgung in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen von einem DC/DC-Wandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) übernommen, der wiederum an ein Hochspannungsbordnetz mit einem Hochspannungsakkumulator angeschlossen ist. Die Spitzenleistung dieser Energiequellen ist üblicherweise so dimensioniert, dass die Durchschnittsleistung aller verbauten Systeme im Fahrzeug gedeckt werden kann. Die Spitzenleistung der verbauten Systeme kann dabei allerdings um ein Vielfaches größer sein als die Durchschnittsleistung. Während DC/DC-Wandler eine große Dynamik aufweisen, ist der Generator in einem Fahrzeug aufgrund bautechnischer Gründe in seiner Dynamik begrenzt.
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Aktuell werden aus Energieeffizienzgründen immer mehr Fahrwerkskomponenten in einem Fahrzeug elektrifiziert, wodurch die Belastung des 12 V-Energiebordnetzes stark steigt. Dynamische Spitzenleistungsverbraucher in den Fahrwerksregelsystemen, beispielsweise eine elektrische Lenkung, eine Wankstabilisierung oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm, weisen dabei eine größere Dynamik auf als der Generator. Dadurch entsteht die Problematik, dass der Generator bei dynamischer Belastung nicht den gewünschten Strom liefern kann und die Batterie oder ein anderer Speicher als Energiespeicher den Bedarf decken muss. Aufgrund des Innenwiderstandes der Batterie kommt es bei einer Stromabgabe zusätzlich zu Spannungseinbrüchen an den Batterieklemmen. Vor allem dynamische Spitzenleistungsverbraucher wie eine elektrische Lenkung oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm können dadurch zu drastischen Spannungseinbrüchen (Transienten) führen. Diese Problematik kann auch in Bordnetzen auftreten, bei denen ein DC/DC-Wandler als Energiequelle eingesetzt wird. Allerdings muss bei einer dynamischen Belastung des Bordnetzes erst dann die Batterie als Energiepuffer fungieren, wenn der DC/DC-Wandler an seine Leistungsgrenze stößt, obwohl eine Regelung eines DC/DC-Wandlers schneller ist als die Regelung eines Generators.
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Wenn zusätzlich Heizsysteme aktiviert sind, verursachen sie im Falle einer Belastung des Energiebordnetzes durch Fahrwerksregelsysteme eine permanente Zusatzbelastung, die zu stärkeren Einbrüchen der Bordnetzspannung führen kann. Dabei kann in kritischen Fällen die Spannung derart stark einbrechen, dass Steuergeräte aufgrund des Spannungseinbruches einen Neustart durchführen und damit nicht mehr zuverlässig arbeiten. Letztlich können diese Spannungseinbrüche zu sicherheitskritischen Zuständen führen und sind daher für die Fahrzeuginsassen gefährlich.
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Die
DE 10 2012 202 009 A1 offenbart das Abschalten eines Verbrauchers beim Unterschreiten eine Spannungswertes.
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Die
DE 34 35 057 A1 offenbart eine Schutzschaltung, die einen Teil eines Antiblockiersystem deaktiviert, falls die Spannung unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt.
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Die
DE 10 2010 018 777 A1 offenbart, dass die einem Verbraucher zugeführte Stromstärke gesteuert wird, um ein Absenken der Batteriespannung zu vermeiden.
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Die
DE 10 2013 006 092 A1 offenbart das Reduzieren einer Leistungsaufnahme eines Verbrauchers, falls ein weiterer Verbraucher hinzu geschaltet werden soll, wobei die Reduzierung der Leistungsaufnahme von einem Anwender nicht spürbar sein soll.
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Dieser Stand der Technik berücksichtigt nicht die Trägheit der Stromregelung des Generators. Insbesondere Aktoren für Fahrdynamikströme erzeugen hohe Stromspitzen, die zu Spannungseinbrüchen führen können. Derartige Stromspitzen können nicht von der Stromregelung des Generators (Dynamos) ausgeglichen werden. Die Stromregelung des Generators benötigt etwa 200 msec, um die Stromabgabe zu erhöhen.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Stabilisierung der Spannung eines Bordnetzes zu schaffen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Schaltvorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Stabilisierung der Spannung eines Bordnetzes eines Fahrzeuges mit einem durch einen Generator geladenen Akkumulator umfasst die Schritte des Überwachens der Eingangsspannung eines über einen Kabelbaum an den Akkumulator angeschlossenen ersten Verbrauchers, der elektrischen Strom verbraucht, und des Filterns der Eingangsspannung des an den Kabelbaum angeschlossenen ersten Verbrauchers, um einen gefilterten Wert der Eingangsspannung zu ermitteln. Die Eingangsspannung kann die Klemmspannung sein. Das Verfahren ermittelt ferner einen Ausschaltschwellenwert auf Grundlage des gefilterten Wertes der Eingangsspannung. Das Verfahren schaltet den ersten Verbraucher ab, falls die Eingangsspannung am ersten Verbraucher niedriger als der Ausschaltschwellenwert ist. Für jeden Verbraucher kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein individueller Abschaltschwellenwert ermittelt werden.
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Bei dem Schritt des Filterns können lediglich Eingangsspannungen über einen endlichen Zeitraum vor dem aktuellen Zeitpunkt berücksichtigt werden. Der gefilterte Wert berücksichtigt die Eingangsspannungen eines endlichen Zeitraums.
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Der Schritt des Filterns der Eingangsspannung kann ein Erzeugen eines beliebigen Mittelwertes der Eingangsspannung, ein Tiefpass-Filtern der Eingangsspannung, und/oder ein Filtern von Transienten in der Eingangsspannung umfassen.
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Erfindungsgemäß überwacht das Verfahren den Mittelwert der Eingangsspannung bzw. Klemmspannung am ersten Verbraucher und/oder filtert diese. Dadurch kann das Verfahren beabsichtigte Schwankungen des Spannungsniveaus am Eingang des Verbrauchers adaptiv erfassen, ohne dass der Verbraucher abgeschaltet wird. Eine Spannungsschwankung kann beispielsweise bei einem Mikro-Hybrid-Fahrzeug beabsichtigt sein, da die Spannung des Akkumulators mit dem Ladezustand des Akkumulators und der aktuellen Rekuperation des Generators schwankt. Falls jedoch ein zweiter Verbraucher kurzzeitig eine hohe Leistungsanforderung und einen damit einhergehenden hohen Stromverbrauch aufweist, wird der erste Verbraucher ausgeschaltet, um das Bordnetz zu entlasten.
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Der Schritt des Filterns bzw. eines Ermittelns des Mittelwertes kann von einem digitalen Filter durchgeführt werden. Der gefilterte Wert bzw. der Mittelwert kann einen arithmetischen Mittelwert, einen geometrischen Mittelwert oder einen beliebigen anderen Mittelwert umfassen. Der Mittelwert berücksichtigt die Eingangsspannungen eines endlichen Zeitraums.
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Die Schritte des Überwachens der Eingangsspannung, des Ermittelns eines Mittelwertes der Eingangsspannung und des Ermittelns eines Ausschaltschwellenwertes können kontinuierlich durchgeführt werden. Dadurch kann sich das erfindungsgemäße Verfahren an Schwankungen der Spannung des Bordnetzes und insbesondere des Akkumulators und/oder eines Spannungsabfalls im Kabelbaum adaptiv anpassen.
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Das Verfahren kann ferner einen Toleranzwert ermitteln. Das Verfahren kann ferner einen Ausschaltschwellenwert aus der Differenz des gefilterten Wertes der Eingangsspannung und des Toleranzwertes ermitteln. Der Toleranzwert kann konstant sein oder von der gefilterten Eingangsspannung abhängen. Der Toleranzwert kann ein Bruchteil der gefilterten Eingangsspannung sein.
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Der Mittelwert und/oder der gefilterte Wert der Eingangsspannung können zumindest aus den Eingangsspannungen der vorangegangenen etwa 1 sec., vorzugsweise zumindest aus den Eingangsspannungen der vorangegangenen etwa 2,5 sec., höchst vorzugsweise aus den Eingangsspannungen der vorangegangenen etwa 5 sec. gebildet sein. Der Mittelwert und/oder der gefilterte Wert der Eingangsspannung können bei einer anderen Ausführungsform zumindest aus den Eingangsspannungen der vorangegangenen 10 sec., vorzugsweise zumindest aus den Eingangsspannungen der vorangegangenen 30 sec., höchst vorzugsweise aus den Eingangsspannungen der vorangegangenen 60 sec. gebildet sein.
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Der Schritt des Ermittelns des Mittelwertes der Eingangsspannung kann das Filtern von Transienten in der Eingangsspannung umfassen. Es können Transienten mit einer Zeitdauer von weniger als 10 msec., vorzugsweise mit einer Zeitdauer von weniger als 100 msec., höchst vorzugsweise mit einer Zeitdauer von weniger als 500 msec. herausgefiltert werden. Die Transienten können durch einen zweiten Verbraucher mit einer hohen kurzzeitigen Leistungsaufnahme verursacht werden, beispielsweise durch ein Stabilitätssystem.
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Der erste Verbraucher kann eine Komforteinrichtung, eine Heizeinrichtung, eine Luftkonditioniereinrichtung, ein Lüfter, eine Heckscheibenheizung, eine Sitzheizung oder dergleichen sein. Der Insasse eines Fahrzeuges erkennt in der Regel nicht, wenn diese Verbraucher kurzzeitig ausgeschaltet werden. Der Zeitraum, während dessen der erste Verbraucher ausgeschaltet wird, kann kürzer als 5 sec., vorzugsweise kürzer als 2,5 sec., höchst vorzugsweise kürzer als 1 sec., sein. Im Kontext dieser Offenbarung kann der Ausdruck ein erster Verbraucher eine Mehrzahl erster Verbraucher umfassen.
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Die Transienten können von einem zweiten Verbraucher verursacht werden, der ein System, das in die Fahrdynamik eingreifen kann, ein Anti-Blockier-System, eine elektrische Lenkung, eine Wank-Stabilisierungseinrichtung, eine elektronische Stabilitätskontrolle, eine Hinterachsschräglaufregelung und/oder ein aktives Dämpfersystem umfassen kann. Der zweite Verbraucher kann Transienten in einem Zeitraum verursachen, der kürzer als 1 sec., vorzugsweise kürzer als 0,5 sec., höchst vorzugsweise kürzer als 250 msec. ist. Der Begriff zweiter Verbraucher kann auch eine Mehrzahl zweiter Verbraucher umfassen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Schaltvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, in einem Fahrzeug zwischen einen von einem Generator gespeisten Akkumulator und einen über eine Kabelbaum am Akkumulator angeschlossenen ersten Verbraucher geschaltet zu werden, wobei die Schalteinrichtung eine Überwachungseinrichtung, eine Filtereinrichtung, eine Schwellenwertermittlungseinrichtung und eine Schalteinrichtung aufweist. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung des ersten Verbrauchers, der elektrischen Strom verbraucht, zu überwachen. Die Filtereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung des ersten Verbrauchers zu filtern, um einen gefilterten Wert der Eingangsspannung zu ermitteln. Die Schwellenwertermittlungseinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Ausschaltschwellenwert auf Grundlage des gefilterten Wertes der Eingangsspannung zu ermitteln. Die Schalteinrichtung ist dazu ausgebildet, den ersten Verbraucher auszuschalten, falls die Eingangsspannung am ersten Verbraucher niedriger als der Ausschaltschwellenwert ist. Der Schaltvorrichtung kann so weitergebildet sein, wie zuvor hinsichtlich des Verfahrens beschrieben wurde.
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Eine Toleranzermittlungseinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Toleranzwert zu ermitteln. Die Schwellenwertermittlungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, einen Ausschaltschwellenwert aus der Differenz des gefilterten Wertes der Eingangsspannung und des Toleranzwertes zu ermitteln.
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Die Vorrichtung kann so weitergebildet sein, wie zuvor hinsichtlich des Verfahrens beschrieben wurde.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, das, wenn es in einen Speicher eines Computers mit einem Prozessor geladen wird, das zuvor beschriebene Verfahren ausführt.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren, die eine nicht einschränkende Ausführungsform der Erfindung zeigen, detaillierter beschrieben, wobei
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1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; und
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2 einen Teil einer elektrischen Anlage eines Fahrzeuges zum Verständnis der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird jetzt unter Bezugnahme auf 1 detaillierter beschrieben. Das Verfahren überwacht im Schritt 10 die Eingangsspannung eines ersten Verbrauchers, der über einen Kabelbaum an einen Akkumulator angeschlossen ist und der elektrischen Strom verbraucht. Mit anderen Worten, der erste Verbraucher ist an ein Kfz-Bordnetz (Niederspannungsbordnetz) mit einer Spannung im Bereich von etwa 12 V, etwa 24 V oder etwa 48 V angeschlossen. Bei einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren die Eingangsspannung des ersten Verbrauchers lediglich dann überwachen, wenn der erste Verbraucher eingeschaltet ist. Es versteht sich, dass die Eingangsspannung auch bei ausgeschalteten ersten Verbraucher überwacht werden kann.
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Im zweiten Schritt 20 ermittelt das Verfahren den Mittelwert der Eingangsspannung des an den Akkumulator angeschlossenen ersten Verbrauchers. Es kann der Mittelwert zumindest der vergangenen 1 sec., der Mittelwert zumindest der vergangenen 2,5 sec., höchst vorzugsweise der Mittelwert der vorangegangenen 5 sec. durch geeignete Filterung ermittelt werden. Es versteht sich, dass ein beliebiger Mittelwert ermittelt werden kann, beispielsweise der arithmetischer Mittelwert, der geometrischer Mittelwert oder dergleichen.
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Im Schritt 30 ermittelt das Verfahren einen Toleranzwert. Der Toleranzwert beschreibt, wie weit die Eingangsspannung am ersten Verbraucher unter den Mittelwert der Eingangsspannung absinken darf, bevor der erste Verbraucher ausgeschaltet wird. Der Toleranzwert kann ein konstanter Wert sein oder vom Mittelwert abhängen. Der Toleranzwert kann einmalig ermittelt werden oder bei jedem Durchlauf des Verfahrens und/oder zyklisch neu ermittelt werden. Der Toleranzwert kann weniger als etwa 1,5 V, vorzugsweise weniger als etwa 1 V, mehr bevorzugt weniger als etwa 0,5 V, höchst bevorzugt weniger als etwa 0,25 V, betragen.
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Im Schritt 40 ermittelt das Verfahren einen Ausschaltschwellenwert aus der Differenz des Mittelwertes der Eingangsspannung, wie er im Schritt 20 ermittelt wird, und dem Toleranzwert, wie er im Schritt 30 ermittelt wurde. Im Schritt 50 prüft das Verfahren, ob die Eingangsspannung am ersten Verbraucher niedriger als der Ausschaltschwellenwert ist. Falls die Eingangsspannung am ersten Verbraucher niedriger als der Ausschaltschwellenwert ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt 40 fort und schaltet den ersten Verbraucher aus, falls er eingeschaltet war. Falls die Eingangsspannung am ersten Verbraucher höher als der Ausschaltschwellenwert ist, fährt das Verfahren mit dem optionalen Schritt 60 fort und schaltet den ersten Verbraucher ein, falls er wegen einer kurzzeitigen Unterschreitung des Mittelwertes der Eingangsspannung ausgeschaltet war, oder lässt der ersten Verbraucher in seinem aktuelle Zustand.
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Anschließend fährt das Verfahren mit dem Schritt 10 zyklisch fort.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die einen Teil eines elektrischen Bordnetzes 100 zeigt, soweit es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Das in 1 gezeigte Bordnetz 100 umfasst einen Generator 104 und eine Regelungseinrichtung 106, die an den Generator und einen Akkumulator 102 angeschlossen ist. Der Akkumulator 102 ist typischerweise ein Bleiakkumulator. Der Generator 104 ist mit dem Verbrennungsmotor und/oder mit dem Antriebsstrang verbunden. Vorzugsweise erzeugt der Generator 104 hauptsächlich beim Verzögern des Fahrzeuges elektrischen Strom (Mikro-Hybrid). Der Generator 104 kann ein Drehstrom-Generator sein, der über die Regelungseinrichtung 106 an den Akkumulator 102 angeschlossen ist. Die Regelungseinrichtung 106 regelt den dem Akkumulator 102 zugeführten Stroms oder die an den Akkumulator 102 angelegte Spannung. Die Arbeitsweise eines Generators 104 und einer Regelungseinrichtung 106 ist ansonsten dem Fachmann bekannt und muss hierin nicht detaillierter ausgeführt werden. Es ist bekannt, dass die Regelungseinrichtung 106 vergleichsweise träge ist, beispielsweise eine Totzeit bzw. Regelzeit von etwa 200 msec. aufweist. Bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors kann die Regelzeit tendenziell länger sein, um Komforteinschränkungen aufgrund von Lastwechselvorgängen beim Generator zu vermeiden.
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An den Akkumulator 102 ist über einen Kabelbaum mit einem ohmschen Widerstand ein zweiter Verbraucher 108 angeschlossen. Der zweite Verbraucher kann, wie zuvor erwähnt wurde, eine elektrische Servolenkung, ein Anti-Blockier-System, ein Stabilitätssystem, ein aktiver Dämpfer oder dergleichen sein. Diese Systeme benötigten innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitraums einen hohen Strom. Aufgrund der Trägheit der Regelungseinrichtung 106 kann dieser Strom unter normalen Betriebsbedingungen nicht vom Generator 104 erzeugt werden und muss vom Akkumulator 102 entnommen werden, was aufgrund der vom zweiten Verbraucher 108 erzeugten Transienten zu unerwünschten Spannungseinbrüchen führen kann, wodurch Steuergeräte kurzzeitig ihre Funktionsfähigkeit verlieren können.
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An den Akkumulator 102 ist auch über den Kabelbaum mit dem ohmschen Widerstand ein erster Verbraucher 110 über eine Schaltvorrichtung 112 angeschlossen. Die Schaltvorrichtung 112 umfasst eine Überwachungseinrichtung 114, die die Eingangsspannung des ersten Verbrauchers 110 erfasst. Die erfasste Eingangsspannung wird an die Filtereinrichtung 116 übergeben, die die Eingangsspannung filtert und/oder einen Mittelwert der Eingangsspannung des ersten Verbrauchers 110 ermittelt. Eine optionale Toleranzermittlungseinrichtung 118 ermittelt eine Toleranzspannung, die angibt, wie weit die Eingangsspannung am ersten Verbraucher abfallen darf, bevor der erste Verbraucher 110 ausgeschaltet wird. Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Toleranzspannung konstant sein oder an den aktuellen Arbeitspunkt angepasst werden. Eine Schwellenwertermittlungseinrichtung 120 ermittelt auf Grundlage des gefilterten Wertes der Eingangsspannung und des optionalen Toleranzwertes einen Ausschaltschwellenwert. Der Ausschaltschwellenwert wird an eine Schalteinrichtung 122 übergeben, die mittels eines geeigneten Schalters 124, beispielsweise eines Relais oder eines Leistungstransistors, den ersten Verbraucher 110 ausschaltet, falls die Eingangsspannung am ersten Verbraucher 110, wie sie durch die Überwachungseinrichtung 114 erfasst wird, niedriger als der Ausschaltschwellenwert ist.
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Die Filtereinrichtung 116 kann ein digitales Filter sein, das einerseits einen Mittelwert über einen endlichen Zeitraum bildet und andererseits kurze Transienten, wie sie vom zweiten Verbraucher 108 erzeugt werden, filtert, so dass sie bei der Mittelwertbildung unberücksichtigt bleiben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Abschaltung einzelner Verbraucher autonom erfolgt. Der Ausschaltschwellenwert kann für jeden ersten Verbraucher 110 getrennt ermittelt werden. Dadurch können sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung selbstständig an die Gegebenheiten eines bestimmten Typs von Kraftfahrzeug anpassen. Die Anpassung bzw. Nachführung des Ausschaltschwellenwertes erfolgt adaptiv und angepasst an die aktuellen Bedingungen im Bordnetz und/oder des Kabelbaums. Folglich können bei unterschiedlichen Lastzuständen des Bordnetzes und/oder bei einer Veränderung der Bordnetzspannung durch das Energiemanagement, beispielsweise bei einem Mikro-Hybrid-Fahrzeug, der Ausschaltschwellenwert kontinuierlich angepasst werden. Dadurch kann die Spannungsstabilisierung durch die autonome Verbraucherabschaltung besser als im Stand der Technik genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012202009 A1 [0005]
- DE 102010039179 A1 [0006]
- DE 4109645 A1 [0006]
- DE 3435057 A1 [0007]
- DE 102010018777 A1 [0008]
- DE 102013006092 A1 [0009]
