DE102016211164A1

DE102016211164A1 - Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Energiespeichern, Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes und Mittel zu dessen Implementierung

Info

Publication number: DE102016211164A1
Application number: DE102016211164.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28
Also published as: WO2017220233A1

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeugbordnetz (100), das eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine (EM), einen aktiven Stromrichter (110) mit Gleichspannungsanschlüssen (B+, B–), einen ersten Energiespeicher (B1) und einen zweiten Energiespeicher (B2) aufweist, vorgeschlagen. Es sind Mittel (S1–S4, 120) vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, sämtliche der nachfolgend angegebenen Schaltzustände a) bis c) alternativ zueinander einzustellen: a) entweder nur der erste Energiespeicher (B1) oder nur der zweite Energiespeicher (B2) ist an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B–) des aktiven Stromrichters (110) angebunden; b) der erste Energiespeicher (B1) und der zweite Energiespeicher (B2) sind in Parallelschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B–) des aktiven Stromrichters (110) angebunden; c) der erste Energiespeicher (B1) und der zweite Energiespeicher (B2) sind in Reihenschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B–) des aktiven Stromrichters (110) angebunden. Mit dem ersten Energiespeicher (B1) ist ein erstes kapazitives Element (Cz1) und mit dem zweiten Energiespeicher (B2) ein zweites kapazitives Element (Cz2) dauerhaft parallel verbunden. Ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Kraftfahrzeugbordnetzes und Mittel zu dessen Implementierung sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Energiespeichern, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftfahrzeugbordnetzes sowie Mittel zur Implementierung des Verfahrens.
Stand der Technik
Die Rückgewinnung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen durch Rekuperation ist bekannt. In Rekuperationssystemen wird während einer Bremsung mechanische Energie durch eine elektrische Maschine in elektrische Energie umgewandelt und in einer Batterie oder einem anderen Energiespeicher gespeichert. Ist die durch den Fahrer angeforderte Bremsleistung kleiner oder gleich der Leistungsfähigkeit des Rekuperationssystems, erfolgt die Bremsung typischerweise ausschließlich mittels diesem. Ist die angeforderte Bremsleistung höher, wird zusätzlich ein konventionelles Bremssystem eingesetzt. Die mögliche Kraftstoffeinsparung durch die Rekuperation ist daher nicht nur vom Fahrzyklus und dem Fahrerverhalten, sondern auch von der Leistungsfähigkeit des Rekuperationssystems abhängig. Letztere wird von der maximalen generatorischen Leistung der elektrischen Maschine und der maximalen elektrischen Aufnahmefähigkeit des oder der Energiespeicher im Kraftfahrzeugbordnetz begrenzt.
Ferner ist als kraftstoffsparende Maßnahme der Segelbetrieb bekannt. Hierbei wird der Verbrennungsmotor während einer sogenannten Segelphase vom restlichen Antriebsstrang abgekoppelt. Hierdurch wirkt das Motorschleppmoment nicht mehr auf den restlichen Antriebstrang und die Ausrollphase des Fahrzeugs wird wesentlich verlängert. Bei Fahrzeugen mit konventionellem Antriebsstrang werden die elektrischen Verbraucher während der Segelphase ausschließlich aus dem oder den Energiespeichern versorgt. Segeln und Rekuperation schließen einander nicht aus. Beispielsweise kann der Segelbetrieb eingeleitet werden, wenn der Fahrer weder Gas noch Bremse betätigt. Die Rekuperation kann dann erfolgen, wenn der Fahrer die Bremse betätigt.
Aus der DE 10 2013 204 894 A1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz bekannt, das eine elektrische Maschine, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher aufweist. Es sind Mittel vorgesehen, mittels derer wahlweise nur einer der Energiespeicher, beide Energiespeicher in Parallelschaltung oder der beide Energiespeicher in Reihenschaltung an die elektrische Maschine angebunden werden können. In einem derartigen Kraftfahrzeugbordnetz kann eine leistungsfähigere Rekuperation durch eine Erhöhung der Spannung an der elektrischen Maschine erzielt werden. Durch diese ergibt sich eine Erhöhung der generatorischen Leistung, die als Bremsleistung zur Verfügung steht. Durch die variable Verschaltung der Energiespeicher ergibt sich zugleich eine Erhöhung der Aufnahmekapazität des Kraftfahrzeugbordnetzes. Diese ermöglicht die Einspeisung bei höherer Generatorleistung und damit insgesamt eine Erhöhung der Kraftstoffeinsparung bei der Rekuperation. Die Energiespeicher stehen ferner redundant für den Segelbetrieb zur Verfügung, wodurch sich die Ausfallsicherheit des Kraftfahrzeugbordnetzes insgesamt erhöht.
Es ist in bestimmten Fällen wünschenswert, in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wie es beispielsweise in der DE 10 2013 204 894 A1 offenbart ist, die elektrische Maschine auch motorisch zu betreiben bzw. eine entsprechende elektrische Maschine einzusetzen. Auf diese Weise kann mechanische Leistung, beispielsweise zum Starten oder zur Unterstützung des Verbrennungsmotors (z.B. zum Ausgleich des Turbolochs oder im sogenannten Boostbetrieb) generiert werden.
Eine entsprechende elektrische Maschine ist typischerweise über einen als Gleich- und Wechselrichter betreibbaren aktiven Stromrichter an das Kraftfahrzeugbordnetz angebunden, wie auch zu 2 erläutert. In einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird der aktive Stromrichter als (Puls-)Wechselrichter, in einem generatorischen Betrieb als Gleichrichter betrieben. Ein entsprechender aktiver Stromrichter ist typischerweise als Brückengleichrichter mit einer der Phasenzahl der elektrischen Maschine entsprechenden Anzahl an Halbbrücken ausgebildet. Ein aktiver Stromrichter unterscheidet sich von einem passiven Stromrichter dadurch, dass als Gleichrichtelemente, die in einem passiven Gleichrichter als Dioden ausgebildet sind, ansteuerbare Halbleiterschaltelemente, beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren, verwendet werden.
Zum Ausgleich von Spannungs- und Stromspitzen und zur Glättung der an den Gleichspannungsanschlüssen (üblicherweise mit B+ und B– bezeichnet) des aktiven Stromrichters im generatorischen und motorischen Betrieb der elektrischen Maschine anliegenden Spannung ist in einer entsprechenden Anordnung aus elektrischer Maschine und aktivem Stromrichter zwischen diesen Gleichspannungsanschlüssen entsprechend dem Stand der Technik ein kapazitives Element, der sogenannte Zwischenkreiskondensator, eingebunden.
Ferner ist es wünschenswert, in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wie es beispielsweise in der DE 10 2013 204 894 A1 offenbart ist, die elektrische Maschine im motorischen Betrieb mit unterschiedlichen Spannungen betreiben zu können, die durch die erläuterten Verschaltungen der Energiespeicher bereitgestellt werden können. Hierdurch lassen sich je nach Bedarf unterschiedliche mechanische Leistungen durch die elektrische Maschine abgeben. Allerdings kommt es beim Umschalten zwischen diesen unterschiedlichen Spannungen in einem entsprechenden Kraftfahrzeugbordnetz mit Zwischenkreiskondensator zu sehr hohen Lade- bzw. Entladeströmen an diesem. Der Zwischenkreiskondensator kann durch diese hohen Lade- bzw. Entladeströme beschädigt werden.
Es besteht daher der Bedarf nach entsprechenden Kraftfahrzeugbordnetzen, die es ermöglichen, die motorisch oder generatorisch betriebene elektrische Maschine mit unterschiedlichen Spannungen betreiben zu können, ohne dass es zu Schäden aufgrund der Umschaltung zwischen diesen unterschiedlichen Spannungen bzw. aufgrund hierdurch hervorgerufener hoher Stromflüsse kommen kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung eines Kraftfahrzeugbordnetzes, wie es in der DE 10 2013 204 894 A1 offenbart ist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Energiespeichern, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftfahrzeugbordnetzes sowie Mittel zur Implementierung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Kraftfahrzeugbordnetz, das eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher aufweist, und in dem Mittel vorgesehen sind, mittels derer wahlweise nur der erste Energiespeicher oder nur der zweite Energiespeicher, der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher in Parallelschaltung oder der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher in Reihenschaltung an die elektrische Maschine bzw. deren Stromrichter angebunden werden können, dadurch verbessert werden kann, dass anstelle eines kapazitiven Elements, also des Zwischenkreiskondensators, zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des verwendeten Stromrichters mehrere kapazitive Elemente verwendet werden. Diese werden dabei dauerhaft, also nicht zu- oder abschaltbar, jeweils parallel zu den Energiespeichern angeordnet, wie auch nachfolgend noch erläutert.
Es wird dabei ein Kraftfahrzeugbordnetz vorgeschlagen, das eine generatorisch und motorisch betreibbare elektrische Maschine, einen aktiven Stromrichter mit Gleichspannungsanschlüssen, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher aufweist. Bei den Energiespeichern kann es sich beispielsweise um reguläre Kraftfahrzeugbatterien, beispielsweise jeweils um 12V-Blei-Batterien, handeln. Es sind jedoch wahlweise auch andere elektrische Speichertechnologien einsetzbar. Die elektrische Maschine ist mit ihren Phasenanschlüssen an entsprechende Wechselspannungsanschlüsse des Stromrichters angeschlossen, wie grundsätzlich bekannt. Ferner sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, sämtliche der nachfolgend angegebenen Schaltzustände a) bis c) alternativ zueinander einzustellen: a) entweder nur der erste Energiespeicher oder nur der zweite Energiespeicher ist an die Gleichspannungsanschlüsse des aktiven Stromrichters angebunden; b) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind in Parallelschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse des aktiven Stromrichters angebunden; und c) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind in Reihenschaltung an die an die Gleichspannungsanschlüsse des aktiven Stromrichters angebunden.
Erfindungsgemäß ist mit dem ersten Energiespeicher ein erstes kapazitives Element und mit dem zweiten Energiespeicher ein zweites kapazitives Element dauerhaft parallel verbunden. Bei den kapazitiven Elementen kann es sich beispielsweise um kommerziell erhältliche Kondensatoren handeln.
Ist hier davon die Rede, dass entsprechende kapazitive Elemente "dauerhaft parallel" mit den jeweiligen Energiespeichern verbunden sind, sei darunter verstanden, dass ein entsprechendes kapazitives Element mit einem von zwei Anschlüssen elektrisch leitend und dauerhaft mit einem ersten Pol des Energiespeichers, beispielsweise dem positiven Batteriepol, und mit dem zweiten der zwei Anschlüsse leitend und dauerhaft mit dem zweiten Pol des Energiespeichers, beispielsweise dem negativen Batteriepol, verbunden ist. Eine derartige parallele Verbindung liegt selbstverständlich auch dann vor, wenn der erste der zwei Anschlüsse des kapazitiven Elements mit dem positiven Batteriepol verbunden ist und der zweite der zwei Anschlüsse und der "negative" Batteriepol mit einer gemeinsamen Masse verbunden sind, die eine leitende Verbindung herstellt.
Dauerhaft ist eine entsprechende Verbindung dann, wenn sie nicht über ein Schaltelement erfolgt, sondern über Kabel und entsprechende Verbindungen, beispielsweise Lötstellen, Klemmen oder Stecker, die in einem Normalbetrieb eines entsprechenden Kraftfahrzeugbordnetzes nicht unterbrochen bzw. deren Elemente nicht voneinander getrennt bzw. isoliert werden.
Zu den grundsätzlichen Vorteilen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftfahrzeugbordnetzes bezüglich der Rekuperation sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Auch im Segelbetrieb bietet dieses Kraftfahrzeugbordnetz grundsätzliche Vorteile, weil während einer Segelphase das Kraftfahrzeugbordnetz wahlweise durch einen der Energiespeicher versorgt werden kann. Fällt einer aufgrund eines Fehlers aus, kann auf den anderen umgeschaltet werden.
Durch die variable Verschaltung der wenigstens zwei Energiespeicher können beim Start des Verbrennungsmotors entweder einer oder beide Energiespeicher die elektrische Maschine speisen, die dann, motorisch betrieben, den Verbrennungsmotor entsprechend starten kann.
Wird nur einer der Energiespeicher dazu eingesetzt, kann der andere Energiespeicher unabhängig hiervon an die elektrischen Verbraucher angebunden werden. Damit werden ein Starterkreis und ein Verbraucherkreis geschaffen. Beim Start des Verbrennungsmotors, beispielsweise mit Hilfe eines in der beigefügten 2 aus Übersichtsgründen nicht eingezeichneten Ritzelstarters oder mit der bereits beschriebenen elektrischen Maschine, ergibt sich dann aufgrund des entkoppelten Starterkreises kein störender Spannungseinbruch im Verbraucherkreis. Dies ist insbesondere in den bekannten Start-Stopp-Systemen im Warmstart mit Hilfe eines Ritzelstarters oder mit der beschriebenen elektrischen Maschine (z.B. nach einem Ampelhalt im Stadtverkehr) von Vorteil.
Bei einem Kaltstart, bei dem Spannungseinbrüche typischerweise als weniger störend empfunden werden und ein höheres mechanisches Drehmoment erforderlich ist, kann hingegen der verfügbare Strom und damit das Drehmoment der elektrischen Startvorrichtung durch Parallelschaltung wenigstens zweier Energiespeicher erhöht werden.
Die verfügbare Spannung und damit die erzeugbare mechanische Leistung kann auch durch eine Reihenschaltung der Energiespeicher erhöht werden.
Die Erfindung ermöglicht auch eine Kapselung von Fehlern der elektrischen Maschine, d.h. eine Fehlerausbreitung von der elektrischen Maschine in das Versorgungsnetz wird verhindert. Hierdurch erhöht sich die Ausfallsicherheit. Zusätzlich kann auch eine defekte Batterie vom Bordnetz abgekoppelt werden und damit die Ausfallsicherheit weiter erhöht werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgesehenen, parallel zu den Energiespeichern vorgesehenen kapazitiven Elementen besteht darin, dass bei einer gewünschten Umschaltung zwischen Versorgungsspannungen für die motorisch oder generatorisch betriebene elektrische Maschine es nicht zu hohen Umladeströmen in und aus dem Zwischenkreiskondensator und entsprechenden Schäden kommen kann, weil dieser durch die kapazitiven Elemente ersetzt ist.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, ist als Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn eine ausführende Steuereinrichtung noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Eine derartige Steuereinrichtung ist mit einem geeigneten Datenträger zur Speicherung eines entsprechenden Computerprogramms, beispielsweise einer Festplatte und/oder einem Flashspeicher, ausgestattet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht einen Verlauf einer maximalen Ausgangsleistung eines 14V-Klauenpolgenerators über eine Generatordrehzahl für Ausgangsspannungen von 14V und 28V.
2 zeigt ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
3 zeigt das Kraftfahrzeugbordnetz gemäß 2 in einem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Schaltzustand.
4 zeigt das Kraftfahrzeugbordnetz gemäß 2 in einem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Schaltzustand.
5 zeigt das Kraftfahrzeugbordnetz gemäß 2 in einem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Schaltzustand.
6 zeigt das Kraftfahrzeugbordnetz gemäß 2 in einem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Schaltzustand.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist der typische Verlauf der maximalen Ausgangsleistung P einer generatorisch betriebenen elektrischen Maschine, beispielsweise eines 14V-Klauenpolgenerators, die an einen passiven B6-Brückengleichrichter angebunden ist, auf der Ordinate über die Generatordrehzahl n auf der Abszisse für die beispielhaften Ausgangsspannungen U₁ = 14V und U₂ = 28V dargestellt. Speist die elektrische Maschine ein 14V-Kraftfahrzeugbordnetz, kann diese ab einer Drehzahl n_o1 elektrische Leistung liefern. Hingegen kann dieselbe elektrische Maschine bei einer Einspeisung in ein 28V-Kraftfahrzeugbordnetz erst ab einer Drehzahl von n_o2 elektrische Leistung liefern. Bei einer Ausgangsspannung der elektrischen Maschine von U₂ = 28V ergibt sich ab einer Drehzahl n > n₁₂ eine deutlich höhere maximale Ausgangsleistung als bei Versorgung eines 14V-Kraftfahrzeugbordnetzes. Dieser Effekt kann genutzt werden, um während der Rekuperation die Ausgangsleistung der elektrischen Maschine zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft jedoch insbesondere den motorischen Betrieb einer entsprechenden elektrischen Maschine, die über einen dann als Wechselrichter betriebenen aktiven Stromrichter an ein Kraftfahrzeugbordnetz angebunden ist. Die elektrische Maschine kann je nach dem Betriebszustand des entsprechenden Fahrzeugs mit unterschiedlichen Spannungen versorgt werden. Auch bei motorischem Betrieb der elektrischen Maschine ergibt sich bei einer speisenden Spannung von 28V eine höhere maximale Ausgangsleistung als bei einer Versorgung mit 14V.
In 2 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt. und insgesamt mit 100 bezeichnet. Dieses weist einen ersten Energiespeicher B₁ und einen zweiten Energiespeicher B₂, die beispielsweise in Form gleichartiger oder unterschiedlicher Kraftfahrzeugbatterien, z.B. in Form zweier 12V-Kraftfahrzeugbatterien, ausgebildet sein können, auf. Mit dem ersten Energiespeicher B₁ ist ein erstes kapazitives Element C_z1 und mit dem zweiten Energiespeicher B₂ ein zweites kapazitives Element C_z2 im oben erläuterten Sinn dauerhaft parallel verbunden. Die Energiespeicher B₁ und B₂ können mittels der Schaltelemente S₁, S₂, S₃ und S₄ variabel verschaltet werden. Die Schaltelemente S₁ bis S₄ können beispielsweise durch MOS-Feldeffekttransistoren oder andere elektronische Bauelemente gebildet sein. Elektrische 14V-Verbraucher sind kollektiv in Form eines Widerstands R₁ veranschaulicht.
Eine elektrische Maschine EM kann sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben werden. Sie kann damit elektrische Leistung in das Kraftfahrzeugbordnetz 100 einspeisen oder aus diesem mit elektrischer Leistung versorgt werden. Hierzu ist ein aktiver Stromrichter 110 vorgesehen, der in einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine, beispielsweise während einer Rekuperation, als Gleichrichter, und während eines motorischen Betriebs, beispielsweise zur Unterstützung des Verbrennungsmotors, als Wechselrichter betrieben werden kann.
Der aktive Stromrichter 110 weist ansteuerbare Halbleiterschaltelemente 111 auf. An Gleichspannungsanschlüssen B+ und B– liegt eine Gleichspannung an. Der Gleichspannungsanschluss B– kann auf Masse liegen. Die ansteuerbaren Halbleiterschaltelemente 111 sind als Dioden mit parallelen Schaltern veranschaulicht. Sie können beispielsweise als MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet sein. Eine Steuereinrichtung 120 ist zur Ansteuerung der Schaltelemente S₁, S₂, S₃ und S₄ und ggf. auch der Halbleiterschaltelemente 111 ausgebildet.
Die kapazitiven Elemente C_z1 und C_z2 werden im Rahmen der dargestellten Ausführungsform der Erfindung anstelle eines einzigen Zwischenkreiskondensators eingesetzt, der im Stand der Technik zwischen den Gleichspannungsanschlüssen B+ und B– eingebunden ist. Auf diese Weise wird, wie bereits zuvor erläutert, erreicht, dass beim Wechsel zwischen Versorgungsspannungen für die elektrische Maschine EM im motorischen und generatorischen Betrieb durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente S₁, S₂, S₃ und S₄ keine oder zumindest keine übermäßig hohen Umladeströme auftreten können.
Im Folgenden wird mit S_n = 0 ein geöffnetes, mit S_n = 1 ein geschlossenes Schaltelement S₁ bis S₄ bezeichnet. Die in den 3 bis 6 dargestellten und nachfolgend weiter erläuterten Schaltzustände des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 werden mittels der Schaltelemente S₁ bis S₄ eingestellt.
Mit S₁ = 0, S₂ = 1, S₃ = 0 und S₄ = 1 ergibt sich ein Schaltzustand gemäß 3.
Beide Energiespeicher B₁ und B₂ sind gemäß 3 in Reihe geschaltet. Damit sind auch die mit den Energiespeichern B₁ und B₂ dauerhaft parallel verbundenen kapazitiven Elemente C_z1 und C_z2 in Reihe geschaltet. Die elektrische Maschine EM speist hier entweder elektrische Leistung mit einer Ausgangsspannung von ca. 28V in das Kraftfahrzeugbordnetz 100 ein oder wird aus dem Kraftfahrzeugbordnetz 100 mit einer entsprechenden Spannung versorgt. Der zweite Energiespeicher B₂ versorgt die Verbraucher R₁ mit einer Spannung von 14V.
Der Schaltzustand gemäß 3 kann dann gewählt werden, wenn beide Energiespeicher B₁ und B₂ gleichzeitig geladen werden sollen. Er wird bevorzugt bei Rekuperation ausgewählt. Die höhere Ausgangsspannung der elektrischen Maschine EM ergibt für Generatordrehzahlen n > n₁₂ auch eine höhere Ausgangsleistung (vgl. 1). Durch die Reihenschaltung der zwei Energiespeicher B₁ und B₂ wird die mögliche Leistungsaufnahme des Kraftfahrzeugbordnetzes gegenüber einem einzigen Energiespeicher B₁ oder B₂ verdoppelt.
Während der Rekuperation wird der erste Energiespeicher B₁ stärker aufgeladen als der zweite Energiespeicher B₂, da parallel zu dem zweiten Energiespeicher B₂ die Verbraucher R₁ geschaltet sind. Ist der erste Energiespeicher B₁ an der oberen Grenze seines Ladezustands angelangt, muss der erste Energiespeicher B₁ wieder entladen werden, um weitere Rekuperationsvorgänge zu ermöglichen. Die Entladung des ersten Energiespeichers B₁ erfolgt vorzugsweise durch Einstellen des in der 4 gezeigten Schaltzustands.
Durch eine Versorgung der elektrischen Maschine EM im motorischen Betrieb mit einer entsprechend hohen Spannung wird die maximal abgebbare mechanische Leistung ebenfalls erhöht. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um den Verbrennungsmotor in bestimmten Betriebsphasen bei Bedarf mit einer entsprechend hohen mechanischen Leistung zu unterstützen.
Mit S₁ = 1, S₂ = 0, S₃ = 1 und S₄ = 0 ergibt sich ein Schaltzustand gemäß 4.
Die elektrische Maschine EM bzw. die Gleichspannungsanschlüsse B+ und B– sind gemäß 4 nur mit dem ersten Energiespeicher B₁ verbunden. Damit ist auch nur das mit dem ersten Energiespeicher B₁ dauerhaft parallel verbundene kapazitive Element C_z1 zwischen den Gleichspannungsanschlüssen B+ und B– eingebunden. Die elektrische Maschine EM speist eine elektrische Leistung mit einer entsprechend eingestellten Spannung von ca. 14V in das Kraftfahrzeugbordnetz 100 ein bzw. wird aus diesem entsprechend versorgt. Ist die durch die elektrische Maschine eingespeiste Leistung kleiner als die Verbraucherleistung der Verbraucher R₁, wird der erste Energiespeicher B₁ entladen. Ist die Leistung größer als die Verbraucherleistung der Verbraucher R₁, wird der erste Energiespeicher B₁ geladen. In dem gezeigten Schaltzustand kann der erste Energiespeicher B₁ geladen werden, ohne dass der Ladezustand des zweiten Energiespeichers B₂ beeinflusst wird.
Der Schaltzustand gemäß 4 wird vorteilhafterweise dann genutzt, wenn beispielsweise auf Grund von Rekuperationsvorgängen mit dem in 3 gezeigten Schaltzustand der erste Energiespeicher B₁ seinen oberen zulässigen Ladezustand erreicht hat. In diesem Fall wird die durch die elektrische Maschine in das Kraftfahrzeugbordnetz 100 eingespeiste Leistung so weit reduziert, dass der erste Energiespeicher B₁ durch die Verbraucher R₁ entladen wird. Der erste Energiespeicher B₁ kann in dem in 4 gezeigten Schaltzustand wieder so weit entladen werden, dass mit dem in 3 gezeigten Schaltzustand anschließend wieder weitere Rekuperationsvorgänge möglich sind.
Der in 4 gezeigte Schaltzustand kann auch zur Rekuperation bei niedriger Drehzahl n < n₁₂ der elektrischen Maschine EM verwendet werden (vgl. 1). In diesem Fall kann auch bei niedriger Generatordrehzahl elektrische Rekuperationsleistung in dem ersten Energiespeicher B₁ gespeichert werden.
Die elektrische Maschine EM kann wahlweise auch im motorischen Betrieb nur mit dem ersten Energiespeicher B₁ versorgt werden. Dies kann beispielsweise dazu genützt werden, einen voll geladenen Energiespeicher B₁ zu entladen um, wie bereits beschrieben, dann weitere Rekuperationsenergie in dem Energiespeicher B₁ speichern zu können.
Mit S₁ = 1, S₂ = 0, S₃ = 0 und S₄ = 1 ergibt sich ein Schaltzustand gemäß 5.
Die elektrische Maschine EM ist gemäß 5 nur mit dem zweiten Energiespeicher B₂ verbunden. Damit ist auch nur das mit dem zweiten Energiespeicher B₂ dauerhaft parallel verbundene kapazitive Element C_z2 zwischen den Gleichspannungsanschlüssen B+ und B– eingebunden. Die elektrische Maschine EM speist bei einer Ausgangsspannung von ca. 14V elektrische Leistung in das Kraftfahrzeugbordnetz ein oder wird aus diesem mit entsprechender Leistung versorgt. Ist die eingespeiste Leistung kleiner als die Leistung der Verbraucher R₁, wird der zweite Energiespeicher B₂ entladen. Ist die eingespeiste Leistung größer als die Leistung der Verbraucher R₁, wird der zweite Energiespeicher B₂ geladen. Der dargestellte Schaltzustand kann auch zur Rekuperation bei niedriger Drehzahl der elektrischen Maschine EM n < n₁₂ genutzt werden (vgl. 1). In diesem Fall kann auch bei niedriger Drehzahl elektrische Rekuperationsleistung in dem zweiten Energiespeicher B₂ gespeichert werden.
Die elektrische Maschine EM kann auch im Schaltzustand gemäß 5 wahlweise im motorisch betrieben werden.
Mit S₁ = 1, S₂ = 0, S₃ = 1 und S₄ = 1 ergibt sich ein Schaltzustand gemäß 6.
Beide Energiespeicher B₁ und B₂ sind gemäß 6 parallel geschaltet. Dies gilt damit auch für die mit den Energiespeichern B₁ und B₂ dauerhaft parallel verbundenen kapazitiven Elemente C_z1 und C_z2. Dieser Schaltzustand kann mit Vorteil dann verwendet werden, wenn beide Energiespeicher B₁ und B₂ gleichzeitig geladen oder entladen werden sollen. Ein weiterer möglicher Anwendungsfall ergibt sich dann, wenn im motorischen Betrieb die elektrische Maschine EM eine hohen elektrischen Strom benötigt, um das gewünschte mechanische Drehmoment zu erzeugen Dieser Anwendungsfall kann beispielsweise bei einem Kaltstart nach einer sehr kalten Nacht eintreten.
Ein weiterer Anwendungsfall ist der Segelbetrieb mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor. In diesem Fall werden die elektrischen Verbraucher R₁ wie erläutert, nur durch die Energiespeicher B₁ und B₂ versorgt, weil die elektrische Maschine EM nicht angetrieben wird. Bei Fahrzeugen mit elektrischen Verbrauchern R₁ hoher Leistung kann ein zu hoher Spannungseinbruch verhindert werden, indem die Energiespeicher B₁ und B₂ parallel geschaltet werden.
Ein weiterer Anwendungsfall ist die Rekuperation bei niedrigen Drehzahlen der elektrischen Maschine EM n < n₁₂ (vgl. 1). In diesem Fall kann auch bei niedriger Drehzahl elektrische Rekuperationsleistung in beiden Energiespeichern B₁ und B₂ gespeichert werden. Durch die Parallelschaltung beider Energiespeicher B₁ und B₂ wird, wie auch beim seriellen Betrieb, die maximal mögliche Ladeleistung gegenüber nur einem Energiespeicher B₁ oder B₂ verdoppelt. Im Vergleich zum seriellen Betrieb der Energiespeicher B₁ und B₂ wird nun jedoch der maximal mögliche Ladestrom verdoppelt.
Die Erfindung kann in einer Vielzahl von Varianten und Ausgestaltungen realisiert werden, wie beispielsweise in den 8 bis 11 der DE 10 2013 204 894 A1 veranschaulicht, mit der Maßgabe, dass auch hier mit den Energiespeichern B₁ und B₂ kapazitive Elemente dauerhaft parallel verbunden sind.
Eine hinsichtlich der Batteriefunktion redundante elektrische Versorgung, z.B. während einer Segelphase, kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Umschalten zwischen den Schaltzuständen gemäß den 4 und 5 sowie der Energiespeicher B₁ und B₂ sichergestellt werden, falls einer der Energiespeicher B₁ bzw. B₂ ausfällt.
Bei Fehlern in der elektrischen Maschine EM oder Fehlern im aktiven Stromrichter, die beispielsweise zu einer zu hohen Ausgangsspannung führen, kann die elektrische Versorgung der Verbraucher R₁ von der elektrischen Maschine entkoppelt werden, so dass diese nicht geschädigt werden. Dies wird mit S₁ = 0, S₂ = 0, S₃ = 1 und S₄ = 1 oder mit S₁ = 0, S₂ = 0, S₃ = 0 und S₄ = 1 gemäß der 2 möglich.
Abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt der elektrischen Maschine EM, beispielsweise von Drehzahl und Ausgangsleistung, kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine EM sowohl im generatorischen als auch im motorischen Betrieb durch Umschaltung auf eine andere Spannung erzielt werden.
Eine weitere Ausführungsform des Kraftfahrzeugbordnetzes der Erfindung ergibt sich, wenn in der Ausführungsform gemäß 2 das zweite Schaltelement S₂ durch eine Diode ersetzt wird. In dieser Ausführungsform werden vorteilhafterweise nur noch die drei Schaltelemente S₁, S₃ und S₄ benötigt. Mit dem Unterschied, dass das Schaltelement S₂ nicht mehr angesteuert werden muss, entspricht diese Ausführungsform sinngemäß der Ausführungsform gemäß der 2 (also Kraftfahrzeugbordnetz 100). Auch hier sind jedoch die genannten kapazitiven Elemente in der erläuterten Anordnung eingebunden. Bei einer entsprechend modifizierten Ausführungsform gemäß 2 ist jedoch bei serieller Verschaltung der Batterien (3) kein motorischer Betrieb mehr möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204894 A1 [0004, 0005, 0008, 0009, 0058]

Claims

Kraftfahrzeugbordnetz (100), das eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine (EM), einen aktiven Stromrichter (110) mit Gleichspannungsanschlüssen (B+, B–), einen ersten Energiespeicher (B₁) und einen zweiten Energiespeicher (B₂) aufweist, und in dem Mittel (S₁–S₄, 120) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, sämtliche der nachfolgend angegebenen Schaltzustände a) bis c) alternativ zueinander einzustellen: a) entweder nur der erste Energiespeicher (B₁) oder nur der zweite Energiespeicher (B₂) ist an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B–) des aktiven Stromrichters (110) angebunden; b) der erste Energiespeicher (B₁) und der zweite Energiespeicher (B₂) sind in Parallelschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B–) des aktiven Stromrichters (110) angebunden; c) der erste Energiespeicher (B₁) und der zweite Energiespeicher (B₂) sind in Reihenschaltung an die Gleichspannungsanschlüsse (B+, B–) des aktiven Stromrichters (110) angebunden; wobei mit dem ersten Energiespeicher (B₁) ein erstes kapazitives Element (C_z1) und mit dem zweiten Energiespeicher (B₂) ein zweites kapazitives Element (C_z2) dauerhaft parallel verbunden ist.
Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach Anspruch 1, das für einen Betrieb in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus eingerichtet ist, wobei die elektrische Maschine (EM) in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus motorisch oder generatorisch betrieben und in dem ersten Betriebsmodus durch Einstellen des Schaltzustands a) oder b) mit einer ersten, geringeren Spannung und in dem zweiten Betriebsmodus durch Einstellen des Schaltzustands c) mit einer zweiten, höheren Spannung über den als Wechselrichter oder Gleichrichter betriebenen aktiven Stromrichter (110) gespeist wird.
Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach Anspruch 1 oder 2, das zumindest einen elektrischen Verbraucher (R₁) aufweist, der wahlweise mittels einer Ausgangsspannung des ersten Energiespeichers (B₁), mittels einer Ausgangsspannung des zweiten Energiespeichers (B₂) oder mittels einer Ausgangsspannung beider parallel geschalteter Energiespeicher (B₁, B₂) speispar ist.
Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mittel (S₁, S₂, S₃, S₄, 120), mittels derer die Schaltzustände a) bis c) einstellbar sind, ein erstes Schaltelement (S₁), ein zweites Schaltelement oder eine Diode (S₂,), ein drittes Schaltelement (S₃) und ein viertes Schaltelement (S₄) mit jeweils ersten und zweiten Spannungsanschlüssen sowie eine Steuereinrichtung (120) umfassen, und wobei, wenn eine Diode (S₂) vorgesehen ist, diese einen Strom zwischen ihrem ersten und ihrem zweiten Spannungsanschluss durchlässt und umgekehrt sperrt.
Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach Anspruch 4, bei dem jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse leitend miteinander verbunden sind: ein erster Gleichspannungsanschluss (B+) des aktiven Stromrichters (110), der erste Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B₁), ein erster Spannungsanschluss des ersten kapazitiven Elements (C_Z1) und der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S₁); ein zweiter Gleichspannungsanschluss (B–) des aktiven Stromrichters (110), der zweite Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B₂), ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten kapazitiven Elements (C_Z2) und der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S₃); der zweite Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B₁), der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements oder der Diode (S₂) der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S₃) und ein zweiter Spannungsanschluss des ersten kapazitiven Elements (C_Z1); der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S₁), der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements oder der Diode (S₂) und der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S₄); der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S₄), ein erster Spannungsanschluss des zweiten kapazitiven Elements (C_Z2) und der erste Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B₂).
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 4, wobei jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse leitend miteinander verbunden sind: ein erster Gleichspannungsanschluss (B+) des aktiven Stromrichters (110), der erste Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B₁), ein erster Spannungsanschluss des ersten kapazitiven Elements (C_Z1) und der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S₁); ein zweiter Gleichspannungsanschluss (B–) des aktiven Stromrichters (110), der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S₃) und der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S₄); der zweite Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B₁), der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements oder der Diode (S₂), ein zweiter Spannungsanschluss des ersten kapazitiven Elements (C_Z1) und der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements (S₃); der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S₁), der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements oder der Diode (S₂), ein erster Spannungsanschluss des zweiten kapazitiven Elements (C_Z2) und der erste Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B₂); der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S₄), ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten kapazitiven Elements (C_Z2) und der zweite Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B₂).
Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Mittel (S₁, S₂, S₃, S₄, 120), mittels derer die Schaltzustände a) bis c) einstellbar sind, zumindest ein erstes Schaltelement (S₁), ein zweites Schaltelement (S₂), ein drittes Schaltelement oder eine Diode (S₃) und ein viertes Schaltelement (S₄) mit jeweils ersten und zweiten Spannungsanschlüssen sowie eine Steuereinrichtung (120) umfassen, und wobei, wenn eine Diode (S₃) vorgesehen ist, diese einen Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss durchlässt und umgekehrt sperrt.
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 7, bei dem jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse leitend miteinander verbunden sind: ein erster Gleichspannungsanschluss (B+) des aktiven Stromrichters (110), der erste Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B₁), ein erster Spannungsanschluss des ersten kapazitiven Elements (C_Z1) und der erste Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S₁); ein zweiter Gleichspannungsanschluss (B–) des aktiven Stromrichters (110), der zweite Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B₂), ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten kapazitiven Elements (C_Z2) und der zweite Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S₄); der zweite Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers (B₁), der erste Spannungsanschluss des dritten Schaltelements oder der Diode (S₃), ein zweiter Spannungsanschluss des ersten kapazitiven Elements (C_Z1) und der erste Spannungsanschluss des vierten Schaltelements (S₄); der erste Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers (B₂), der zweite Spannungsanschluss des dritten Schaltelements oder der Diode (S₃), ein erster Spannungsanschluss des zweiten kapazitiven Elements (C_Z2) und der erste Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S₂); der zweite Spannungsanschluss des ersten Schaltelements (S₁) und der zweite Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements (S₂).
Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Schaltelemente (S₁–S₄) mittels der Steuereinrichtung (120) zur Einstellung der Schaltzustände a) bis c) einstellbar sind.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, wahlweise die Schaltzustände a) bis c) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die elektrische Maschine (EM) in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wobei die elektrische Maschine (EM) in dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus motorisch oder generatorisch betrieben und in dem ersten Betriebsmodus durch Einstellen des Schaltzustands a) oder b) mit einer ersten, geringeren Spannung und in dem zweiten Betriebsmodus durch Einstellen des Schaltzustands c) mit einer zweiten, höheren Spannung über den als Wechselrichter oder Gleichrichter betriebenen aktiven Stromrichter (110) angesteuert wird.
Steuereinrichtung (120) für ein Kraftfahrzeugbordnetz (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 durchzuführen.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit dazu veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere auf der Steuereinrichtung (10) nach Anspruch 12, ausgeführt werden.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.