DE102017215121B4 - Verfahren zur Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers (7), der zwischen zwei Bordnetzen (3, 5) mit unterschiedlichen Spannungsniveaus in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, wobei das Verfahren folgendes umfasst:
- Auswahl einer Anzahl von Betriebspunkten P_i, die im realen Straßenbetrieb des Kraftfahrzeugs erreicht werden;
- Ermittlung eines Gewichtungsfaktors h_i für jeden der Betriebspunkte P_i, wobei die Gewichtungsfaktoren h_i die Häufigkeiten kennzeichnen, mit denen die jeweiligen Betriebspunkte P_i im realen Straßenbetrieb angefahren werden;
- Messung der Stromstärke I_in,i und der Spannung U_in,i in einem ersten Bordnetz (3) für jeden der Betriebspunkte P_i;
- Messung der Stromstärke I_out,i und der Spannung U_out,i in einem zweiten Bordnetz (5) für jeden der Betriebspunkte P_i;
- Berechnung einer gewichteten Effizienz η gemäß $$\eta ={\displaystyle {\sum }_i{h}_i\ast \frac{U_{out,i}\ast I_{out,i}}{U_{in,i}\ast I_{in,i}}}.$$

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers, der zwischen zwei Bordnetzen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
• Derartige Gleichspannungswandler werden beispielsweise benötigt, wenn ein Kraftfahrzeug über mehrere Bordnetze verfügt, die unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, was insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen der Fall ist. In einem derartigen System kann beispielsweise ein 48 V-Bordnetz vorhanden sein, das einen Generator und/oder eine 48 V-Batterie umfasst. In einem 12 V-Bordnetz, das mittels eines Gleichspannungswandlers an das 48 V-Bordnetz angebunden ist, wird typischerweise eine 12 V-Batterie und sämtliche Verbraucher des Kraftfahrzeugs betrieben. Teilweise sind auch 24 V-Bordnetze oder Bordnetze mit anderen Spannungsniveaus im Einsatz.
• Aus der DE 10 2014 210 283 A1 ist ein Betriebsverfahren für einen Spannungswandler bekannt, bei dem eine Regelstrategie für den Spannungswandler insbesondere auf der Basis eines momentanen Verbrauchs ausgewählt wird.
• Zur Verringerung von Emissionen wird bei der Auslegung eines Kraftfahrzeugs angestrebt, die einzelnen Komponenten mit einer möglichst großen Effizienz bereitzustellen. Um diese Effizienz insbesondere im realen Fahrbetrieb des Fahrzeugs möglichst gut einschätzen zu können, werden standardisierte Verfahren eingesetzt. Beispielsweise wird die Effizienz von Generatoren im Fahrzeug wie in der Norm ISO 8854 niedergelegt getestet. Für Gleichspannungswandler zwischen einzelnen Bordnetzen gibt es ein solches Verfahren jedoch noch nicht.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers anzugeben, das besonders einfach und transparent ist und das eine besonders realitätsnahe Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers auch auf einem Prüfstand erlaubt.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers angegeben, der zwischen zwei Bordnetzen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Das Verfahren umfasst dabei die Auswahl einer Anzahl von Betriebspunkten P_i, die im realen Straßenbetrieb des Kraftfahrzeugs typischerweise erreicht werden, sowie die Ermittlung eines Gewichtungsfaktors h_i für jeden der Betriebspunkte P_i, wobei die Gewichtungsfaktoren h_i die Häufigkeiten kennzeichnen, mit denen die jeweiligen Betriebspunkte P_i im realen Straßenbetrieb angefahren werden.
• Ferner umfasst das Verfahren die Messung der Stromstärke I_in,i und der Spannung U_in,i in einem ersten Bordnetz für jeden der Betriebspunkte P_i, die Messung der Stromstärke I_out,i und der Spannung U_out,i in einem zweiten Bordnetz für jeden der Betriebspunkte P_i sowie die Berechnung einer gewichteten Effizienz η mit $\eta ={\displaystyle {\sum }_i{h}_i}\ast \frac{U_{out,i}\ast I_{out,i}}{U_{in,i}\ast I_{in,i}}.$

  
• Das Verfahren hat den Vorteil, dass es die Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers im realen Straßenfahrbetrieb anhand eines Testverfahrens auf dem Prüfstand erlaubt. Wie sich herausgestellt hat, kann mit diesem Verfahren eine besonders einfach einsetzbare, aussagekräftige Testmethode zur Verfügung gestellt werden.
• Das Verfahren wird bei einer definierten Umgebungstemperatur durchgeführt. Ein entsprechender Wert für die Automotive Industrie liegt bei (23±5)°C. Jedoch sind auch Werte z.B. bei (14±5)°C möglich zu definierende Werte.
• Dabei erfolgt die Auswahl der Betriebspunkte P_i insbesondere abhängig von der maximal abgebbaren Leistung des Gleichspannungswandlers.
• Beispielsweise hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, vier Betriebspunkte auszuwählen, die jeweils durch die abgegebene Leistung P_out,i = U_out,i * I_out,i gekennzeichnet sind, wobei P_out,i = 0,20*P_max, P_out,2 = 0,35*P_max, P_out,3 = 0,50*P_max und P_out,4 = 0,75*P_max gilt, wobei P_max die maximal abgebbare Leistung des Gleichspanungswandlers bezeichnet.
• Wie sich herausgestellt hat, sind derartig gewählte Betriebspunkte geeignet, die Effizienz des Gleichspannungswandlers im realen Straßenfahrbetrieb durch Prüfstandsmessungen zuverlässig abzuschätzen.
• Werden weniger als vier Betriebspunkte ausgewählt, so wird das Verfahren typischerweise zu ungenau. Werden mehr als vier Betriebspunkte ausgewählt, wird das Verfahren genauer, es erhöht sich jedoch gleichzeitig der Testaufwand. Die vier Betriebspunkte liegen über die Bandbreite der abgebbaren Leistung des Gleichspannungswandlers verteilt, jedoch mit einem Schwerpunkt bei niedrigeren Leistungen, das heißt bis maximal 50% der maximal abgebbaren Leistung. Wie sich herausgestellt hat, werden dadurch reale Verhältnisse gut abgebildet.
• Für die vier Betriebspunkte werden insbesondere die vier Gewichtungsfaktoren h₁ = 25%, h₂ = 40%, h₃ = 25%, h₄ = 10% verwendet.
• Wie sich herausgestellt hat, sind die genannten Betriebspunkte zusammen mit diesen Gewichtungsfaktoren geeignet, um die Effizienz des Gleichspannungswandlers im realen Fahrbetrieb auf der Straße abschätzen zu können. Die Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Betriebspunkte können insbesondere empirisch oder anhand von Modellen ermittelt werden.
• Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Bordnetz für eine Spannung von 48 V und das zweite Bordnetz für eine Spannung von 12 V ausgelegt. Dies sind typische Spannungsniveaus für Bordnetze von Hybridfahrzeugen, wobei in dem 12 V-Bordnetz typischerweise elektrische Verbraucher des Fahrzeugs wie Radio, Stereoanlage und Steuergeräte usw. eingebunden sind. Aber auch auf 48 V Spannungsebene können direkt Verbraucher (z.B. elektrische Klimaanlage) angeschlossen sein, welche im realen Verbrauch erhebliche Energiemengen benötigen.
• Gemäß einer Ausführungsform erfolgen die Messungen der Stromstärke I_in,i bzw. I_out,i und der Spannung U_in,i bzw. U_out,i jeweils zu einem Zeitpunkt, in dem der Gleichspannungswandler im thermischen Gleichgewicht ist, so dass ΔT_DCOC ≤ 1 K/min gilt.
• Dadurch wird erreicht, dass die Messungen unter Gleichgewichtsbedingungen durchgeführt werden, für die Einflussfaktoren durch den Übergang von einem Betriebspunkt zum anderen keine Rolle spielen.
• Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, vor jeder Messung der Stromstärke und der Spannung den Gleichspannungswandler für mindestens 180 Sekunden an dem jeweiligen Betriebspunkt P_i zu halten.
  Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren im sogenannten Buckmode des Systems durchgeführt, bei dem die Übertragung der Energie von der höheren Spannungsseite auf die niedrigere Spannungsseite erfolgt. Dies spiegelt die realen Verhältnisse in einem Kraftfahrzeug wider, bei dem ein Generator beispielsweise im 48 V-Bordnetz und die Verbraucher im 12 V-Bordnetz eingebunden sind. In diesem Modus gilt demnach U_out,i < U_in,i.
• Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Figuren näher erläutert.
• 1 zeigt ein Bordnetzsystem eines Kraftfahrzeugs mit zwei Bordnetzen, die über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind;
• 2 zeigt einen Schaltplan zur Ermittlung der Effizienz des Gleichspannungswandlers gemäß 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• 3 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung der Effizienz des Gleichspannungswandlers gemäß 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
• 4 zeigt Ergebnisse von Effizienzmessungen an dem Gleichspannungswandler gemäß 1.
• 1 zeigt ein Bordnetzsystem 1 eines Kraftfahrzeugs, das aus einem ersten Bordnetz 3 und einem zweiten Bordnetz 5 besteht. Bei dem ersten Bordnetz 3 handelt es sich um ein 48 V-Bordnetz. Bei dem zweiten Bordnetz 5 handelt es sich um ein 12 V-Bordnetz. Die Bordnetze 3, 5 sind durch einen Gleichspannungswandler 7 gekoppelt.
• In dem ersten Bordnetz 3 ist ein Generator 9 zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet, beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein Riemen-Starter Generator. Dem Generator ist eine Ladesteuerung 11 nachgeschaltet, die das Laden einer ersten Batterie 12, die als 48 V-Batterie ausgebildet ist, steuert. Derartige 48 V-Bordnetze finden sich insbesondere in Hybridfahrzeugen.
• In dem zweiten Bordnetz 5 ist eine zweite Batterie 13 angeordnet, die als 12 V-Batterie ausgebildet ist. Ferner sind verschiedene elektrische Verbraucher 15 in dem zweiten Bordnetz 5 angeordnet, von denen in 1 nur einer gezeigt ist.
• Der Gleichspannungswandler 7 überträgt elektrische Energie von dem ersten Bordnetz 3 in das zweite Bordnetz 5 mit einer Effizienz η. Dieser Wandler kann je nach Funktionalität auch in die umgekehrte Richtung wandeln.
• 2 zeigt eine Schaltung zur Ermittlung der Effizienz η des Gleichspannungswandlers 7. Die Schaltung weist sowohl in dem ersten Bordnetz 3 als auch im zweiten Bordnetz 5 Strom- und Spannungsmessgeräte auf, sodass sowohl die Stromstärke I_in als auch die Spannung U_in im ersten Bordnetz 3 als auch die Stromstärke I_out und die Spannung U_out in dem zweiten Bordnetz 5 bestimmt werden können.
• Zur Effizienzmessung werden die beiden Bordnetze 3, 5 auf einem vorgegebenen Spannungsniveau gehalten. Für das erste Bordnetz 3, das als 48 V-Bordnetz ausgebildet ist, wird eine Spannung von U_in = 52,0 V ± 0,5 V vorgegeben. Für das zweite Bordnetz 5, das als 12 V-Bordnetz ausgebildet ist, wird eine Spannung von U_out =13,5 V ± 0,1 V vorgegeben. Abweichende Werte können für das jeweilige Spannungsniveau nach Sinnhaftigkeit oder Funktionalität definiert werden.
• 3 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung der Effizienz des Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem Verfahren werden in einem ersten Schritt 100 eine Anzahl von Betriebspunkten P_i ausgewählt, an denen jeweils die Effizienz des Gleichspannungswandlers 7 bestimmt wird.
• Im vorliegenden Beispiel wurden 4 Betriebspunkte ausgewählt, die jeweils durch die abgegebene Leistung P_out,i = U_out,i * I_out,i gekennzeichnet sind, wobei P_out,i = 0,20*P_max, P_out,2 = 0, 35*P_max, P_out,3 = 0,50* P_max und P_out,4 = 0,75*P_max gilt.
• In einem zweiten Schritt 200 erfolgt die Ermittlung von Gewichtungsfaktoren h_i für die ausgewählten Betriebspunkte. Die Gewichtungsfaktoren h_i, die insbesondere empirisch oder anhand von Modellrechnungen bestimmt werden können, kennzeichnen die Häufigkeit, mit der die jeweiligen Betriebspunkte im realen Fahrbetrieb auf der Straße angefahren werden. Mit anderen Worten: die Gewichtungsfaktoren h_i drücken aus, wie häufig der Betriebspunkt P_i erreicht wird und mit welchem Faktor die an diesem Betriebspunkt bestimmte Effizienz folglich gewichtet werden sollte, um eine Gesamteffizienz des Gleichspannungswandlers 7 zu ermitteln.
• In einem Schritt 300 werden sowohl im ersten Bordnetz 3 als auch im zweiten Bordnetz 5 die Stromstärken und Spannungen I_in,i bzw. I_out,i, U_in,i bzw. U_out,i an jedem der Betriebspunkte gemessen. Dabei wird der Betriebspunkt vor der Messung für mindestens 180 s gehalten und/oder es wird abgewartet, bis der Gleichspannungswandler im thermischen Gleichgewicht ist.
• Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über das Vorgehen:

  	Effizienz	Haltezeit	abgegebene Leistung P out [W]	Gewichtungs-faktor h i
  				[%]
  P1	η1	ΔT ≤ 1K/min oder mind. 180 s	Pout,1 = 0,2*Pmax	25
  P2	η2	ΔT ≤ 1K/min oder mind. 180 s	Pout,2=0,35*Pmax	40
  P3	η3	ΔT ≤ 1K/min oder mind. 180 s	Pout,3 = 0,5 * Pmax	25
  P4	η4	ΔT ≤ 1K/min oder mind. 180 s	Pout,4 = 0,75 * Pmax	10

• Im Schritt 400 erfolgt dann die Berechnung einer gewichteten Effizienz η gemäß $\eta ={\displaystyle {\sum }_i{h}_i\ast \frac{U_{out,i}\ast I_{out,i}}{U_{in,i}\ast I_{in,i}}}$

  

  aus den im Schritt 300 gemessenen Werten sowie aus den im Schritt 200 ermittelten Gewichtungsfaktoren h_i. In diesem Schritt erfolgt demnach die Addition der einzelnen Effizienzen η_i multipliziert mit dem jeweiligen Gewichtungsfaktor h_i.
• 4 zeigt Ergebnisse von Effizienzmessungen an dem Gleichspannungswandler 7 gemäß 1. Aufgetragen ist jeweils die Effizienz über der Stromstärke I_out bzw. die ausgegebene Energie (P = I x U; bei U = konstant)im zweiten Bordnetz 5. Die gekennzeichneten Punkte P1 bis P4 sind geeignete Betriebspunkte zur Ermittlung der Effizienz des Gleichspannungswandlers 7, der in dem gezeigten Beispiel eine maximal abgebbare Leistung von 3000 W hat.
• Das beschriebene Verfahren ist insbesondere geeignet für PKW und kleine Nutzfahrzeuge mit Gleichspannungswandlern im 12 V-, 24 V- und 48 V-Bereich, die maximale Leistungen zwischen 1500 und 300 W im Buck Modus konvertieren können.
• Bezugszeichenliste

1

Bordnetzsystem

3

erstes Bordnetz

5

zweites Bordnetz

7

Gleichspannungswandler

9

Generator

11

Ladesteuerung

12

erste Batterie

13

zweite Batterie

15

Verbraucher

100

Schritt

200

Schritt

300

Schritt

400

Schritt

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung der Effizienz eines Gleichspannungswandlers (7), der zwischen zwei Bordnetzen (3, 5) mit unterschiedlichen Spannungsniveaus in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, wobei das Verfahren folgendes umfasst: - Auswahl einer Anzahl von Betriebspunkten P_i, die im realen Straßenbetrieb des Kraftfahrzeugs erreicht werden; - Ermittlung eines Gewichtungsfaktors h_i für jeden der Betriebspunkte P_i, wobei die Gewichtungsfaktoren h_i die Häufigkeiten kennzeichnen, mit denen die jeweiligen Betriebspunkte P_i im realen Straßenbetrieb angefahren werden; - Messung der Stromstärke I_in,i und der Spannung U_in,i in einem ersten Bordnetz (3) für jeden der Betriebspunkte P_i; - Messung der Stromstärke I_out,i und der Spannung U_out,i in einem zweiten Bordnetz (5) für jeden der Betriebspunkte P_i; - Berechnung einer gewichteten Effizienz η gemäß $$\eta ={\displaystyle {\sum }_i{h}_i\ast \frac{U_{out,i}\ast I_{out,i}}{U_{in,i}\ast I_{in,i}}}.$$

   
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Betriebspunkte P_i abhängig von der maximal abgebbaren Leistung des Gleichspannungswandlers (7) ausgewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei vier Betriebspunkte ausgewählt werden, die jeweils durch die abgegebene Leistung P_out,i = U_out,i * I_out,i gekennzeichnet sind, wobei P_out,1 = 0,20*P_max, P_out,2 = 0,35*P_max, Pout,3 = 0,50*P_max und P_out,4 = 0,75*P_max gilt, wobei P_max die maximal abgebbare Leistung des Gleichspanungswandlers (7) bezeichnet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei für die vier Betriebspunkte die Gewichtungsfaktoren h₁ = 25%, h₂ = 40%, h₃ = 25%, h₄ = 10% verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Bordnetz (3) für eine Spannung von 48 V und das zweite Bordnetz (5) für eine Spannung von 12 V ausgelegt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messungen der Stromstärke I_in,i und I_out,i und der Spannung U_in,i und U_out,i jeweils zu einem Zeitpunkt erfolgen, in dem der Gleichspannungswandler (7) im thermischen Gleichgewicht ist, so dass ΔT_DCOC ≤ 1 K/min gilt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei vor jeder Messung der Stromstärke und der Spannung der Gleichspannungswandler (7) für mindestens 180 s an dem Betriebspunkt P_i gehalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei U_out,i < U_in,i gilt.

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