DE102018200540A1

DE102018200540A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes

Info

Publication number: DE102018200540A1
Application number: DE102018200540.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-07-18
Also published as: WO2019137707A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes, das eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher aufweist, und in dem Schaltmittel vorgesehen sind, 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 elektrische Maschine angebunden; b) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind in Parallelschaltung an die elektrische Maschine angebunden; c) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind in Reihenschaltung an die elektrische Maschine angebunden; wobei die Schaltmittel in einer ersten Ansteuerphase (201) derart angesteuert werden, dass eine Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes einen ersten Spannungswert (U) besitzt, wobei die Schaltmittel in einer sich an die erste Ansteuerphase (201) anschießenden Übergangsphase (202) getaktet abwechselnd in einem ersten Schaltzustand (221) und in einem zweiten Schaltzustand (222) derart angesteuert werden, dass sich die Betriebsspannung verändert, bis diese einen zweiten Spannungswert (U) erreicht, wobei die Schaltmittel in einer sich an die Übergangsphase (202) anschießenden zweiten Ansteuerphase (203) derart angesteuert werden, dass die Betriebsspannung den zweiten Spannungswert (U) besitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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.
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 Schaltmittel vorgesehen, mittels derer wahlweise nur einer der Energiespeicher, beide Energiespeicher in Parallelschaltung oder 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 einen 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.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Möglichkeit vor, ein einleitend beschriebenes Kraftfahrzeugbordnetz zu verbessern und verbessert zu betreiben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Ansteuerung eines Kraftfahrzeugbordnetzes, wie es in der DE 10 2013 204 894 A1 offenbart ist.
Das Kraftfahrzeugbordnetz weist eine generatorisch und motorisch betreibbare elektrische Maschine, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher auf sowie Mittel, 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 elektrische Maschine angebunden; b) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind in Parallelschaltung an die elektrische Maschine angebunden; und c) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind in Reihenschaltung an die elektrische Maschine angebunden.
Es kann insbesondere ein Stromrichter mit Gleichspannungsanschlüssen vorgesehen sein, wobei die elektrische Maschine mit ihren Phasenanschlüssen an entsprechende Wechselspannungsanschlüsse des Stromrichters angeschlossen ist. In einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird der Stromrichter insbesondere als (Puls-)Wechselrichter, in einem generatorischen Betrieb zweckmäßigerweise als Gleichrichter betrieben. Der Stromrichter ist typischerweise als Brückengleichrichter mit einer der Phasenzahl der elektrischen Maschine entsprechenden Anzahl an Halbbrücken ausgebildet.
Die Erfindung sieht eine Möglichkeit vor, um zwischen verschiedenen Betriebsspannungen des Kraftfahrzeugbordnetzes zu wechseln bzw. um zwischen zwei Ansteuerphasen zu wechseln, in welchen die Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes unterschiedliche Spannungswerte besitzt.
Im Rahmen des Verfahrens werden die Schaltmittel in einer ersten Ansteuerphase derart angesteuert, dass eine Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes einen ersten Spannungswert besitzt. In einer sich an die erste Ansteuerphase anschießenden Übergangsphase werden die Schaltmittel getaktet abwechselnd in einem ersten Schaltzustand und in einem zweiten Schaltzustand des Kraftfahrzeugbordnetzes derart angesteuert, dass sich die Betriebsspannung verändert, insbesondere (quasi-)kontinuierlich, bis diese einen zweiten Spannungswert erreicht. In einer sich an die Übergangsphase anschießenden zweiten Ansteuerphase werden die Schaltmittel derart angesteuert, dass die Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes den zweiten Spannungswert besitzt bzw. beibehält.
Insbesondere sind in dem ersten Schaltzustand ein erster Teil der Schaltmittel geschlossen und ein zweiter Teil der Schaltmittel geöffnet. Analog sind insbesondere auch in dem zweiten Schaltzustand ein Teil der Schaltmittel geschlossen und der Rest der Schaltmittel geöffnet. Insbesondere werden somit die Energiespeicher in dem ersten und zweiten Schaltzustand jeweils zweckmäßig an die elektrische Maschine angebunden.
Durch die Erfindung kann ein Kraftfahrzeugbordnetz, wie es beispielsweise in der DE 10 2013 204 894 A1 gezeigt ist, verbessert betrieben werden. Durch die getaktete Ansteuerung der Schaltmittel in der Übergangsphase ist für das Kraftfahrzeugbordnetz insbesondere nur ein sich aus der Tastrate ergebender Effektivwert der Betriebsspannung wirksam. Insbesondere kann die Betriebsspannung in der Übergangsphase von dem ersten Spannungswert bis zu dem zweiten Spannungswert verändert werden, insbesondere (quasi-) kontinuierlich ansteigend oder (quasi-)kontinuierlich fallend.
Parameter dieser getakteten Ansteuerung, z.B. Tastrate, oder auch Taktfrequenz, Pulsdauer usw., und insbesondere die Dauer der Übergangsphase werden zweckmäßigerweise derart gewählt, dass ein allmählicher Übergang der Betriebsspannung von dem ersten zu dem zweiten Spannungswert erfolgt. Im Gegensatz dazu erfolgt ein Umschalten zwischen zwei verschiedenen Betriebsspannungen auf herkömmliche Weise zumeist innerhalb sehr kurzer Zeit, wobei üblicherweise ein sprunghafter und kein allmählicher bzw. (quasi-) kontinuierlicher Übergang zwischen den entsprechenden unterschiedlichen Spannungswerten erfolgt.
Wird die elektrische Maschine generatorisch betrieben, so ergibt sich beim Umschalten von einer niedrigen zu einer höheren Betriebsspannung der elektrischen Maschine eine höhere elektrische Ausgangsleistung. Die dazu benötigte mechanische Leistung muss beispielsweise von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt werden. Wenn die Umschaltung auf herkömmliche Weise innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgt, so ergibt sich ein Sprung des Lastmoments der elektrischen Maschine am Verbrennungsmotor. Dies kann das Fahrverhalten des entsprechenden Fahrzeugs unvorteilhaft beeinflussen und zu Komforteinbußen führen.
Dies gilt analog auch beim Umschalten von einer höheren zu einer niedrigeren Betriebsspannung. Wenn eine derartige Umschaltung auf herkömmliche Weise innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgt, wird die Ausgangsleistung der elektrischen Maschine innerhalb sehr kurzer Zeit vermindert und als Folge davon nimmt auch das mechanische Lastmoment am Verbrennungsmotor sprunghaft ab. Auch dies kann das Fahrverhalten des Fahrzeugs unvorteilhaft beeinflussen und zu Komforteinbußen führen.
Analoge Komforteinbußen und negative Einflüsse auf das Fahrverhalten ergeben sich auch beim motorischen Betrieb der elektrischen Maschine, wenn auf herkömmliche Weise in sehr kurzer Zeit zwischen zwei Betriebsspannungen gewechselt wird. Besitzt das Fahrzeug ausschließlich einen elektrischen Antrieb, so ergibt sich ebenfalls durch die elektrische Maschine ein Momentenstoß beim Umschalten zwischen den Betriebsspannungen innerhalb kurzer Zeit.
Durch das Verfahren können derartige negative Einflüsse auf das Fahrverhalten und derartige Komforteinbußen vermieden werden. Durch den kontinuierlichen, nicht sprunghaften Übergang von dem ersten zu dem zweiten Spannungswert ergeben sich insbesondere keine sprunghaften Veränderungen des mechanischen Lastmoments an einem Verbrennungsmotor bzw. keine sprunghaften Momentenstöße an der elektrischen Maschine.
Das Verfahren eignet sich zweckmäßigerweise sowohl für den generatorischen als auch den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine. Im Falle des generatorischen Betriebs ist unter der Betriebsspannung insbesondere eine von der elektrischen Maschine bereitgestellte Versorgungsspannung zu verstehen. Im motorischen Betrieb ist unter der Betriebsspannung insbesondere eine an die elektrische Maschine angelegte Bordnetz- bzw. Batteriespannung zu verstehen.
Insbesondere eignet sich das Verfahren sowohl für Fahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine, als auch für Fahrzeuge bzw. Elektrofahrzeuge mit ausschließlich einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antrieb.
Vorteilhafterweise werden die Schaltmittel in der Übergangsphase im Zuge einer Pulsbreitenmodulation angesteuert. Durch geeignete Wahl der Parameter der Pulsbreitenmodulation, insbesondere Tastrate bzw. Pulsdauer, kann der Verlauf der Betriebsspannung zweckmäßig gesteuert werden.
Vorzugsweise werden die Schaltmittel in der Übergangsphase getaktet mit konstanter Taktfrequenz abwechselnd gemäß einer Tastrate in dem ersten Schaltzustand und in dem zweiten Schaltzustand angesteuert. Ist die Taktfrequenz ausreichend hoch, ist insbesondere nur der sich aus der Tastrate ergebende Effektivwert der Betriebsspannung wirksam. Bei konstanter Taktfrequenz ergibt sich insbesondere eine konstante Periodendauer der Ansteuertakte.
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung in der Übergangsphase dabei mit sich verändernder Tastrate bzw. Pulsdauer, wodurch zweckmäßigerweise der Übergang von dem ersten zu dem zweiten Spannungswert eingestellt werden kann. Bevorzugt wird in der Übergangsphase eine Dauer der Ansteuerung in dem ersten Schaltzustand pro Ansteuertakt verringert und eine Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand pro Ansteuertakt erhöht. Somit werden die Schaltmittel zu Beginn der Übergangsphase pro Ansteuertakt zunächst zweckmäßigerweise länger in dem ersten Schaltzustand betrieben als in dem zweiten Schaltzustand.
Alternativ kann die Taktfrequenz vorteilhafterweise auch variabel sein. In diesem Fall wird die Dauer der Ansteuerung in dem ersten Schaltzustand pro Ansteuertakt vorteilhafterweise konstant gewählt und die Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand pro Ansteuertakt wird vorzugsweise variiert, so dass sich auf diese Weise ebenfalls effektiv eine Veränderung der Tastrate ergibt. Der Effektivwert der Betriebsspannung kann dabei insbesondere durch die variable Zeitdauer des zweiten Schaltzustands eingestellt werden. Es versteht sich, dass alternativ vorteilhafterweis auch die Ansteuerdauer des ersten Schaltzustands pro Ansteuertakt variiert und die Ansteuerdauer des zweiten Schaltzustands pro Ansteuertakt konstant gewählt werden kann.
Vorteilhafterweise entspricht der erste Schaltzustand dem Schaltzustand a) oder b) und der zweite Schaltzustand dem Schaltzustand c). Somit ist in dem ersten Schaltzustand zweckmäßigerweise nur einer der beiden Energiespeicher alleine an die elektrische Maschine angebunden oder es sind beide Energiespeicher in Parallelschaltung an die elektrische Maschine angebunden. Insbesondere entspricht der erste Spannungswert der Betriebsspannung der Spannung desjenigen Energiespeichers, welcher an die elektrische Maschine angebunden ist bzw. der Klemmspannung der Parallelschaltung der beiden Energiespeicher.
In dem zweiten Schaltzustand sind in diesem Fall beide Energiespeicher in Reihenschaltung an die elektrische Maschine angebunden. Insbesondere entspricht der zweite Spannungswert dabei der Summe der Spannungen beider Energiespeicher. Somit wird in der Übergangsphase in diesem Fall zweckmäßigerweise von einem niedrigen ersten Spannungswert in der ersten Ansteuerphase zu einem höheren zweiten Spannungswert in der zweiten Ansteuerphase gewechselt.
Alternativ entspricht vorteilhafterweise der zweite Schaltzustand dem Schaltzustand a) oder b) und der erste Schaltzustand entspricht vorzugsweise dem Schaltzustand c). In diesem Fall wird in der Übergangsphase zweckmäßigerweise von einem höheren ersten Spannungswert in der ersten Ansteuerphase zu einem niedrigeren zweiten Spannungswert in der zweiten Ansteuerphase gewechselt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Schaltmittel in der ersten Ansteuerphase dauerhaft in dem ersten Schaltzustand angesteuert. Wenn dabei, wie oben beschrieben, der erste Schaltzustand einem der Schaltzustände a), b) oder c) entspricht, ist der erste Spannungswert zweckmäßigerweise durch den entsprechenden an die elektrische Maschine alleine angebundenen Energiespeicher oder durch die Parallelschaltung oder Reihenschaltung der beiden Energiespeicher gegeben.
Alternativ oder zusätzlich werden die Schaltmittel in der zweiten Ansteuerphase vorteilhafterweise dauerhaft in dem zweiten Schaltzustand angesteuert. Entspricht der zweite Schaltzustand dabei einem der Schaltzustände a), b) oder c), ist der zweite Spannungswert zweckmäßigerweise durch den entsprechenden an die elektrische Maschine angebundenen Energiespeicher oder durch die Parallel- bzw. Reihenschaltung der beiden Energiespeicher gegeben.
Insbesondere wird somit eine Möglichkeit bereitgestellt, um zwischen einzelnen der Schaltzustände a), b), c) wechseln zu können, ohne dass es dabei zu sprunghaften Veränderungen des mechanischen Lastmoments an einem Verbrennungsmotor bzw. zu sprunghaften Momentenstöße an der elektrischen Maschine kommt und ohne dass es zu negativen Einflüssen auf Fahrverhalten und Komforteinbußen kommt.
Es auch denkbar, dass die Schaltmittel in der ersten und/oder zweiten Ansteuerphase nicht dauerhaft in dem ersten bzw. zweiten Schaltzustand angesteuert werden. Vorteilhafterweise werden die Schaltmittel in der ersten Ansteuerphase und/oder in der zweiten Ansteuerphase getaktet abwechselnd in dem ersten Schaltzustand und in dem zweiten Schaltzustand angesteuert. Dabei erfolgt die getaktete Ansteuerung in der ersten bzw. zweiten Ansteuerphase insbesondere mit konstanter Taktfrequenz und zweckmäßigerweise mit konstanter Tastrate bzw. Pulsdauer. Insbesondere sind in der ersten bzw. zweiten Ansteuerphase jeweils eine Dauer der Ansteuerung in dem ersten Schaltzustand pro Ansteuertakt sowie eine Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand pro Ansteuertakt konstant.
Durch derartig getaktetes Ansteuern der Schaltmittel kann insbesondere ein erster bzw. zweiter Spannungswert bereitgestellt werden, welcher nicht mittels der Schaltzustände a), b) oder c) eingestellt werden kann. Insbesondere kann somit für die Betriebsspannung ein erster bzw. zweiter Spannungswert eingestellt werden, welcher zwischen dem Spannungen der beiden einzelnen Energiespeicher und der Summe dieser beiden Spannungen liegt. Insbesondere kann der der erste bzw. zweite Spannungswert durch geeignete Wahl der Tastrate (Verhältnis der Dauern der Ansteuerungen in dem ersten und zweiten Schaltzustand pro Ansteuertakt) flexibel eingestellt werden.
Die elektrische Maschine kann von einem zweckmäßigen Maschinentyp sein und kann beispielsweise als Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder Gleichstrommaschine ausgebildet sein. Die beiden Energiespeicher können jeweils zweckmäßig gewählt werden und können jeweils beispielsweise auch unterschiedliche Ladeakzeptanz oder Kapazität aufweisen und beispielsweise auch in unterschiedlichen Technologien ausgeführt sein. Beispielsweise können die Energiespeicher jeweils als Bleibatterien oder Lithium-Ionen Batterien ausgebildet sein oder auch als andere elektrische Speicher, z.B. Doppelschichtkondensatoren. Die Spannungsbereiche beider Energiespeicher sind zweckmäßig wählbar. Beispielsweise können Energiespeicher mit den Nennspannungen 24V und 12V verwendet werden oder beispielsweise auch mit Nennspannungen 48V und 24V.
Wie bereits erläutert, stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes dar, wie es beispielsweise in der DE 10 2013 204 894 A1 gezeigt ist. Für eine detaillierte Erläuterung dieses Kraftfahrzeugbordnetzes, insbesondere der Schaltzustände a), b) und c) sowie der zum Einstellen dieser Schaltzustände vorgesehenen Schaltmittel sei an dieser Stelle vollumfänglich auf dieses Dokument DE 10 2013 204 894 A1 verwiesen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1a, 1b zeigen jeweils schematisch ein Kraftfahrzeugbordnetz, das dazu eingerichtet ist, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben zu werden.
2 und 3 zeigen jeweils einen schematischen zeitlichen Verlauf einer Betriebsspannung eines Kraftfahrzeugbordnetzes sowie einen schematischen zeitlichen Verlauf einer getakteten Ansteuerung von Schaltmitteln eines Kraftfahrzeugbordnetzes im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1a ist ein Kraftfahrzeugbordnetz in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeugbordnetz ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
Das Kraftfahrzeugbordnetz 100 weist einen ersten Energiespeicher B₁ und einen zweiten Energiespeicher B₂ auf, die wie oben erläutert ausgebildet sein können, beispielsweise in Form gleichartiger oder unterschiedlicher Kraftfahrzeugbatterien. Beispielsweise können die beiden Energiespeicher B₁ und B₂ jeweils eine Nennspannung von 12V besitzen.
Die Energiespeicher B₁ und B₂ können mittels der Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ und S₄ variabel verschaltet werden. Die Schaltmittel S₁ bis S₄ können beispielsweise durch MOSFETs oder andere elektronische Bauelemente gebildet sein. Diese weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Spannungsanschluss auf, mittels welchem sie in das Bordnetz eingebunden sind. Bei einem MOSFET entsprechen diese Spannungsanschlüsse dem Drain- und dem Source-Anschluss. Elektrische Verbraucher mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 14V sind kollektiv in Form von Widerständen R₁ bis R_n veranschaulicht.
In dem Bordnetz 100 ist eine elektrische Maschine EM vorgesehen, die an einen Stromrichter 10 angebunden ist. Letzterer kann, je nach Betriebsstrategie und Ausbildung der elektrischen Maschine als passiver oder aktiver Stromrichter ausgebildet sein. Die elektrische Maschine EM kann für einen rein generatorischen aber auch für einen wahlweise motorischen und generatorischen Betrieb eingerichtet sein. In ersterem Fall wird der Stromrichter 10 als Gleichrichter betrieben, in letzterem Fall kann der Stromrichter 10 sowohl als Gleich- als auch als Wechselrichter betrieben werden. Er verfügt über einen positiven Gleichspannungsanschluss B+ und einen negativen Gleichspannungsanschluss B-, wobei der Gleichspannungsanschluss B- auf Masse bzw. demselben Bezugspotential wie die elektrische Maschine EM liegen kann.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird der positive Gleichspannungsanschluss B+ des Stromrichters 10 auch als erster Spannungsanschluss der elektrischen Maschine EM bezeichnet und der negative Gleichspannungsanschluss B- des Stromrichters 10 als zweiter Spannungsanschluss der elektrischen Maschine EM.
Eine Steuereinrichtung 20 ist dazu eingerichtet, die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ , derart anzusteuern, dass sämtliche der nachfolgend angegebenen Schaltzustände a) bis c) alternativ zueinander eingestellt werden können: a) entweder nur der erste Energiespeicher B₁ oder nur der zweite Energiespeicher B₂ ist an die elektrische Maschine EM angebunden; b) der erste Energiespeicher B₁ und der zweite Energiespeicher B₂ sind in Parallelschaltung an die elektrische Maschine EM angebunden; c) der erste Energiespeicher B₁ und der zweite Energiespeicher B₂ sind in Reihenschaltung an die elektrische Maschine EM angebunden.
Um in dem Schaltzustand a) nur den ersten Energiespeicher B₁ an die elektrische Maschine EM anzubinden, werden die Schaltmittel S₁ und Schaltmittel S₃ geschlossen und die übrigen Schalmittel werden geöffnet. Eine Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 besitzt in diesem Fall einen Spannungswert, welcher der Spannung des ersten Energiespeicher B₁ von 12V entspricht.
Um hingegen nur den zweiten Energiespeicher B₂ in dem Schaltzustand a) an die elektrische Maschine EM anzubinden, werden die Schaltmittel S₁ und S₄ geschlossen und die übrigen Schaltmittel geöffnet. Die Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 besitzt in diesem Fall ebenfalls einen Spannungswert von 12V, welcher der Spannung des zweiten Energiespeicher B₂ entspricht.
Für eine Anbindung beider Energiespeicher B₁ und B₂ in Parallelschaltung an die elektrische Maschine EM, werden in dem Schaltzustand b) die Schaltmittel S₁ , S₃ und S₄ geschlossen und das Schaltmittel S₂ wird geöffnet. Auch in diesem Beispiel besitzt die Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 einen Spannungswert von 12V.
Um beide Energiespeicher B₁ und B₂ in Schaltzustand c) in Reihenschaltung an die elektrische Maschine EM anzubinden, werden die Schaltmittel S₂ und S₄ geschlossen und die Schaltmittel S₁ und S₃ geöffnet. In diesem Beispiel besitzt die Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 einen Spannungswert von 24V, welcher der Summe der Spannungen der beiden Energiespeicher B₁ und B₂ entspricht.
In 1b ist eine alternative Ausgestaltung eines Kraftfahrzeugbordnetzes in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt und mit 100' bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente. Die obigen Erläuterungen bezüglich des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 aus 1a gelten in analoger Weise für das Kraftfahrzeugbordnetz 100' aus 1b.
Für eine detaillierte Erläuterung der Kraftfahrzeugbordnetze 100 und 100', insbesondere der Schaltzustände a), b) und c) sowie der zum Einstellen dieser Schaltzustände vorgesehenen Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ und sei an dieser Stelle auf die DE 10 2013 204 894 A1 verwiesen.
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, um zwischen verschiedenen Betriebsspannungen des Kraftfahrzeugbordnetzes zu wechseln, ohne dass es dabei zu sprunghaften Veränderungen des mechanischen Lastmoments und zu negativen Einflüssen auf das Fahrverhalten und Komforteinbußen kommt.
Zu diesem Zweck ist die Steuereinrichtung 20 dazu eingerichtet, insbesondere programmtechnisch, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wie nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird.
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich rein beispielhaft auf das Kraftfahrzeugbordnetz 100 aus 1a, sollen jedoch in analoger Weise auch für das Kraftfahrzeugbordnetz 100' aus 1b gelten.
2 zeigt einen schematischen zeitlichen Verlauf 210 der Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 sowie einen schematischen zeitlichen Verlauf 220 einer getakteten Ansteuerung der Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bis zu einem Zeitpunkt t₁ werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ in einer ersten Ansteuerphase 201 derart angesteuert, dass die Betriebsspannung einen ersten Spannungswert U₁ besitzt. Im vorliegenden Beispiel werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ in dieser ersten Ansteuerphase in dem Schaltzustand a) derart angesteuert, dass nur der erste Energiespeicher B₁ an die elektrische Maschine EM angebunden ist. Diese Ansteuerung der Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ stellt einen ersten Schaltzustand 221 dar. Der erste Spannungswert U₁ der Betriebsspannung entspricht somit der Spannung des ersten Energiespeicher B₁ von 12V.
Es soll nun von der ersten Ansteuerphase 201 in eine zweite Ansteuerphase 203 gewechselt werden, in welcher eine höhere Betriebsspannung bereitgestellt wird. Im vorliegenden Beispiel sollen die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ in dieser zweiten Ansteuerphase 203 in dem Schaltzustand c) angesteuert werden. Die Betriebsspannung besitzt in dieser zweiten Ansteuerphase somit einen zweiten Spannungswert U₂ von 24V. Diese Ansteuerung der Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ in dem Schaltzustand c) stellt in diesem Beispiel einen zweiten Schaltzustand 222 dar.
Um von der ersten Ansteuerphase 201 in die zweite Ansteuerphase 203 zu wechseln bzw. um von dem niedrigeren ersten zu dem höheren zweiten Spannungswert der Betriebsspannung zu wechseln, wird von dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂ eine Übergangsphase 202 durchgeführt.
In dieser Übergangsphase 202 werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ getaktet abwechselnd in dem ersten Schaltzustand 221 und in dem zweiten Schaltzustand 222 derart angesteuert, dass sich die Betriebsspannung verändert.
Beispielsweise erfolgte diese getaktete Ansteuerung im Zuge einer Pulsbreitenmodulation. Wie in 2 zu erkennen ist, ist eine Periodendauer T der einzelnen Ansteuertakte dieser getakteten Ansteuerung 220 in diesem Beispiel konstant. Somit ist auch eine Taktfrequenz der getakteten Ansteuerung 220 konstant.
Eine Pulsdauer T_p (und damit eine Tastrate) der getakteten Ansteuerung 220 werden hingegen variiert. Wie in 2 zu erkennen ist, werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ dabei zu Beginn der Übergangsphase 202 pro Ansteuertakt länger in dem ersten Schaltzustand 221 angesteuert als in dem zweiten Schaltzustand 222. Eine Dauer der Ansteuerung in dem ersten Schaltzustand 221 pro Ansteuertakt wird während der Übergangsphase 202 verringert und eine Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand 222 pro Ansteuertakt wird erhöht.
Durch eine derartige Erhöhung bzw. Verringerung dieser beiden Dauern kann insbesondere der zeitliche Verlauf der Betriebsspannung eingestellt werden und es wird insbesondere ein kontinuierlicher Anstieg der Betriebsspannung von dem ersten Spannungswert U₁ zu dem zweiten Spannungswert U₂ eingestellt.
Die Übergangsphase 202 wird so lange durchgeführt, bis die Betriebsspannung den zweiten Spannungswert U₂ erreicht. Wenn dies der Fall ist werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ ab dem Zeitpunkt t₂ in der zweiten Ansteuerphase 203 und somit dauerhaft in dem zweiten Schaltzustand 222, also dem Schaltzustand c) angesteuert.
Es ist auch möglich, dass die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ in der ersten und/oder der zweiten Ansteuerphase nicht dauerhaft in einem der Schaltzustände a), b) oder c) angesteuert werden, sondern ebenfalls getaktet angesteuert werden. Ein derartiges Beispiel ist in 3 dargestellt, welche analog zu 2 einen schematischen zeitlichen Verlauf 310 der Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 und einen schematischen zeitlichen Verlauf 320 einer getakteten Ansteuerung der Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ des Kraftfahrzeugbordnetzes 100 im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
Auch in diesem Beispiel stellt die Anbindung des ersten Energiespeichers B₁ an die elektrische Maschine im Schaltzustand a) einen ersten Schaltzustand 321 dar und der Schaltzustand c) einen zweiten Schaltzustand 322.
Wie in 3 zu erkennen ist, werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ bis zu einem Zeitpunkt t₁ in einer ersten Ansteuerphase 301 angesteuert, beispielsweise analog zu 2 in dem ersten Schaltzustand 321, in welchem die Betriebsspannung einen ersten Spannungswert U₁ von 12V besitzt.
Von dieser ersten Ansteuerphase 301 soll in eine zweite Ansteuerphase 303 gewechselt werden. In dieser zweiten Ansteuerphase 303 werden die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ in diesem Beispiel getaktet abwechselnd in dem ersten Schaltzustand 321 und in dem zweiten Schaltzustand 322 angesteuert, mit konstanter Taktfrequenz und mit konstanter Pulsdauer T_p . Somit sind in dieser zweiten Ansteuerphase 303 eine Dauer der Ansteuerung in dem ersten Schaltzustand 321 pro Ansteuertakt und eine Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand 322 pro Ansteuertakt konstant und im vorliegenden Beispiel identisch.
Somit besitzt die Betriebsspannung in der zweiten Ansteuerphase 303 einen zweiten Spannungswert U_x , welcher zwischen der Spannung von 12V des ersten bzw. zweiten Energiespeichers B₁ , B₂ und der Spannung von 24V der Reihenschaltung beider Energiespeichers B₁ , B₂ liegt. In diesem Beispiel beträgt dieser zweite Spannungswert U_x 21V.
Um von der ersten Ansteuerphase 301 in die zweite Ansteuerphase 303 zu wechseln, wird von dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂ eine Übergangsphase 302 durchgeführt, im Zuge welcher die Schaltmittel S₁ , S₂ , S₃ , S₄ ebenfalls getaktet abwechselnd in dem ersten Schaltzustand 321 und dem zweiten Schaltzustand 322 angesteuert, ebenfalls mit konstanter Pulsdauer T bzw. konstanter Taktfrequenz, jedoch mit sich verändernder Pulsdauer T_p .
Analog zu obiger Erläuterung in Bezug auf 2 wird durch diese Variierung der Pulsdauer T_p ein kontinuierlicher Anstieg der Betriebsspannung von dem ersten Spannungswert U₁ von 12V auf den zweiten Spannungswert U_x von 21V eingestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204894 A1 [0003, 0004, 0006, 0012, 0033, 0049]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes (100, 100'), das eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine (EM), einen ersten Energiespeicher (B₁) und einen zweiten Energiespeicher (B₂) aufweist, und in dem Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) 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 elektrische Maschine (EM) angebunden; b) der erste Energiespeicher (B₁) und der zweite Energiespeicher (B₂) sind in Parallelschaltung an die elektrische Maschine (EM) angebunden; c) der erste Energiespeicher (B₁) und der zweite Energiespeicher (B₂) sind in Reihenschaltung an die elektrische Maschine (EM) angebunden; wobei die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) in einer ersten Ansteuerphase (201, 301) derart angesteuert werden, dass eine Betriebsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes (100, 100') einen ersten Spannungswert (U₁) besitzt, wobei die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) in einer sich an die erste Ansteuerphase (201, 301) anschießenden Übergangsphase (202, 302) getaktet abwechselnd in einem ersten Schaltzustand (221, 321) und in einem zweiten Schaltzustand (222, 322) derart angesteuert werden, dass sich die Betriebsspannung verändert, bis diese einen zweiten Spannungswert (U₂, U_x) erreicht, wobei die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) in einer sich an die Übergangsphase (202, 302) anschießenden zweiten Ansteuerphase (203, 303) derart angesteuert werden, dass die Betriebsspannung den zweiten Spannungswert (U₂, U_x) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der Übergangsphase (202, 302) die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) im Zuge einer Pulsbreitenmodulation angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in der Übergangsphase (202, 302) die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) getaktet mit konstanter Taktfrequenz abwechselnd in dem ersten Schaltzustand (221, 321) und in dem zweiten Schaltzustand (222, 322) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in der Übergangsphase (202, 302) die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) getaktet mit sich verändernder Pulsdauer (T_p) abwechselnd in dem ersten Schaltzustand (221, 321) und in dem zweiten Schaltzustand (222, 322) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei in der Übergangsphase (202, 302) eine Dauer der Ansteuerung (S₁, S₂, S₃, S₄) in dem ersten Schaltzustand (221, 321) pro Ansteuertakt verringert und eine Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand (222, 322) pro Ansteuertakt erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Übergangsphase (202, 302) die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) getaktet mit variabler Taktfrequenz abwechselnd in dem ersten Schaltzustand (221, 321) und in dem zweiten Schaltzustand (222, 322) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei in der Übergangsphase (202, 302) eine Dauer der Ansteuerung in dem ersten Schaltzustand (221, 321) pro Ansteuertakt konstant gewählt wird und eine Dauer der Ansteuerung in dem zweiten Schaltzustand (222, 322) pro Ansteuertakt variiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Schaltzustand dem Schaltzustand a) oder b) entspricht und der zweite Schaltzustand dem Schaltzustand c) oder wobei der zweite Schaltzustand dem Schaltzustand a) oder b) entspricht und der erste Schaltzustand dem Schaltzustand c).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) in der ersten Ansteuerphase (201) dauerhaft in dem ersten Schaltzustand (221) angesteuert werden und/oder in der zweiten Ansteuerphase (203) dauerhaft in dem zweiten Schaltzustand (222) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) in der ersten Ansteuerphase und/oder in der zweiten Ansteuerphase (303) getaktet abwechselnd in dem ersten Schaltzustand (321) und in dem zweiten Schaltzustand (322) angesteuert werden.
Recheneinheit (20), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (20) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (20) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.