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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftfahrzeugbordnetzes sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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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.
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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 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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Kraftfahrzeugbordnetz, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen 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.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Möglichkeit vor, ein einleitend beschriebenes Kraftfahrzeugbordnetz weiter zu verbessern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung eines Kraftfahrzeugbordnetzes, wie es in der
DE 10 2013 204 894 A1 offenbart ist.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Ausgleichsschaltung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, wenn in dem Schaltzustand c) der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher in Reihenschaltung an die elektrische Maschine angebunden sind, in einem ersten Schaltzustand elektrische Energie zu speichern und in einem zweiten Schaltzustand die gespeicherte Energie an den zweiten Energiespeicher abzugeben.
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Durch diese Ausgleichsschaltung kann ein herkömmliches Kraftfahrzeugbordnetz, wie es beispielsweise in der
DE 10 2013 204 894 A1 gezeigt ist, verbessert werden. Mittels der Ausgleichsschaltung kann ein Ausgleich von Ladezuständen der beiden Energiespeicher erfolgen, was insbesondere Vorteile für die Wahl der verwendeten Energiespeicher mit sich bringt, wie nachfolgend erläutert wird.
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Durch die Reihenschaltung der Energiespeicher kann die durch die elektrische Maschine in das Kraftfahrzeugbordnetz einspeisbare Versorgungsspannung erhöht werden. Werden beispielsweise zwei 12V-Energiespeicher (mit Ladespannung 14V) eingesetzt, kann bei einer Reihenschaltung dieser eine Versorgungsspannung von 28V in das Kraftfahrzeugbordnetz eingespeist werden.
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Durch die höhere Ausgangsleistung der elektrischen Maschine bei einer entsprechenden Verschaltung ergibt sich auch eine verbesserte Rekuperation von Bremsenergie. Voraussetzung ist jedoch, dass die Energiespeicher die Rekuperationsleistung aufnehmen können. Dies kann in herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetzen durch Wahl geeigneter Hochleistungsbatterien sichergestellt werden. Diese müssen sowohl eine ausreichende Ladeakzeptanz als auch eine ausreichende Kapazität aufweisen. Unter der Ladeakzeptanz wird dabei die Fähigkeit eines Energiespeichers, Strom aufzunehmen, unter der Kapazität das Speichervermögen in Ah bzw. Wh verstanden.
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Entsprechende Hochleistungsbatterien sind jedoch kostenintensiv und benötigen hinsichtlich der Umgebungstemperatur einen bevorzugten Einbauort. Besitzen diese aus Kosten- und/oder Bauraumgründen nicht dieselbe Ladeakzeptanz oder Kapazität, so begrenzt bei herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetzen, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2013 204 894 A1 beschrieben werden, der Energiespeicher mit der niedrigeren Ladeakzeptanz bzw. der niedrigeren Kapazität die Energiespeicherung während der Rekuperation bei Reihenschaltung der Energiespeicher.
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Weiterhin besteht bei herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetzen, wie beispielsweise in der
DE 10 2013 204 894 A1 gezeigt, die Möglichkeit, dass der erste der beiden in Reihe geschalteten Energiespeicher, z.B. während der Rekuperation, stärker aufgeladen wird als der zweite der Energiespeicher. Bei motorischem Betrieb der elektrischen Maschine wird dieser zweite der Energiespeicher wiederum stärker entladen als der erste der Energiespeicher.
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Bei dem in der
DE 10 2013 204 894 A1 gezeigten Kraftfahrzeugbordnetz wird beispielsweise der dort mit
B1 bezeichnete Energiespeicher bei einer entsprechenden Reihenschaltung typischerweise stärker aufgeladen als der dort mit
B2 bezeichnete Energiespeicher. Der Energiespeicher
B2 wiederum wird im motorischen Betrieb stärker entladen als der Energiespeicher
B1 . Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, dass ein Teil des Stromes zur Versorgung der dort mit
R1 bis
Rn bezeichneten Verbraucher verwendet wird und dadurch der Energiespeicher
B2 weniger aufgeladen bzw. stärker entladen wird.
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Aus diesem Grund werden der typischerweise höhere Ladezustand des Energiespeichers
B1 bzw. der typischerweise niedrigere Ladezustand des Energiespeichers
B2 aneinander angeglichen, um eine Überladung des Energiespeichers
B1 und eine weitgehende Entladung des Energiespeichers
B2 zu vermeiden. Ein voll aufgeladener Energiespeicher
B1 kann keine Rekuperationsenergie mehr aufnehmen. Bei einem zu stark entladenen Energiespeicher
B2 kann kein motorischer Betrieb mehr erfolgen. Dies kann beispielsweise durch die in
4 und
5 der
DE 10 2013 204 894 A1 dargestellten Schaltzustände verhindert werden. Dies hat aber zusätzliche Schaltzyklen der Schalter zur Änderung des Betriebsmodus zur Folge und kann den Freiheitsgrad der Betriebsstrategie einschränken. Beispielsweise kann während der Angleichung des Ladezustands nach
4 oder
5 der
DE 10 2013 204 894 A1 keine Rekuperation mit serieller Verschaltung der Energiespeicher erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung stellt nun eine Verbesserung eines derartigen in der
DE 10 2013 204 894 A1 gezeigten Kraftfahrzeugbordnetzes dar. Ist - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - der Ladezustand eines der beiden Energiespeicher höher als der Ladezustand des anderen der beiden Energiespeicher, kann ein Ausgleich des Ladezustands der Energiespeicher mit Hilfe der Ausgleichsschaltung erfolgen. Somit kann durch die Ausgleichsschaltung zweckmäßigerweise ein erhöhter Ladezustand des ersten Energiespeichers verringert und ein niedriger Ladezustand des zweiten Energiespeichers erhöht werden. Eine Anpassung des Ladezustands mit Hilfe einer geänderten Schalterstellung wie gemäß
4 oder
5 der
DE 10 2013 204 894 A1 ist insbesondere nicht erforderlich. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Freiheitsgrade der Betriebsstrategie.
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Insbesondere ist es somit nicht notwendig, dass beide Energiespeicher dieselbe Ladeakzeptanz oder Kapazität besitzen. Beide Energiespeicher können jeweils zweckmäßig gewählt werden, insbesondere jeweils unterschiedliche Ladeakzeptanz oder Kapazität aufweisen und beispielsweise auch in unterschiedlichen Technologien ausgeführt sein.
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Die beiden Energiespeicher können somit unterschiedliche Lade- bzw. Entladeakzeptanzen besitzen. Die Ströme der elektrischen Maschine müssen insbesondere nicht der geringeren Stromtragfähigkeit des Energiespeichers mit geringerer Lade- bzw. Entladeakzeptanz angepasst werden. Zumindest einer der Energiespeicher kann daher durch eine kostengünstige Batterietechnologie und/oder eine Batterie mit kleiner Kapazität realisiert werden, beispielsweise durch eine 14V-Standard-Bleibatterie mit geringer Kapazität.
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Auch bei hoher generatorischer oder motorischer Ausgangsleistung der elektrischen Maschine muss also im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise nur einer der Energiespeicher, beispielsweise der zweite Energiespeicher, auf eine hohe Lade- bzw. Entladeleistung ausgelegt werden. Dies ergibt eine Kostenersparnis.
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Durch die Ausgleichsschaltung wird ferner die Zyklisierung, also der Energie- bzw. Ladungsdurchsatz des leistungsschwächeren Energiespeichers geringer. Damit reduzieren sich die Anforderungen an den leistungsschwächeren Energiespeicher im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch weiter.
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Die Spannungsbereiche beider Energiespeicher sind zweckmäßig wählbar. Beispielsweise können Energiespeicher mit den Spannungsbereichen 28V und 14V verwendet werden oder beispielsweise auch mit den Spannungsbereichen 96V und 48V. Als erster und zweiter Energiespeicher können jeweils beispielsweise eine Bleibatterie verwendet werden oder neben Batterien auch andere elektrische Speicher, z.B. Doppelschichtkondensatoren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausgleichsschaltung dazu eingerichtet, in dem ersten Schaltzustand einen Teil einer elektrischen Energie an dem ersten Energiespeicher vorbeizuführen und zu speichern. Dies ist insbesondere der Fall, wenn im generatorischen Betrieb von der elektrischen Maschine elektrische Energie erzeugt und in das Kraftfahrzeugbordnetz eingespeist wird. Die Ausgleichsschaltung ist insbesondere derart relativ zu den beiden Energiespeichern geschaltet, dass in dem ersten Schaltzustand ein Teil der von der elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Energie bzw. ein Teil des im Kraftfahrzeugbordnetz fließenden Stroms an dem ersten Energiespeicher vorbeigeleitet und in der Ausgleichsschaltung gespeichert werden. Diese an dem ersten Energiespeicher vorbeigeleitete elektrische Energie wird in dem zweiten Schaltzustand an den zweiten Energiespeicher abgegeben. Insbesondere kann somit Strom bzw. elektrische Energie an dem Energiespeicher mit erhöhtem Ladezustand vorbeigeführt und dem Energiespeicher mit niedrigem Ladezustand zugeführt werden. Somit kann verhindert werden, dass der erste Energiespeicher einen zu hohen Ladezustand besitzt und der zweite Energiespeicher einen zu niedrigen Ladezustand.
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Vorteilhafterweise ist die Ausgleichsschaltung dazu eingerichtet, in dem ersten Schaltzustand den ersten Energiespeicher zumindest teilweise zu entladen und die aus dem ersten Energiespeicher entnommene elektrische Energie zu speichern. Diese dem ersten Energiespeicher entnommene elektrische Energie wird in dem zweiten Schaltungszustand an den zweiten Energiespeicher abgegeben. Ist der Ladezustand des ersten Energiespeichers höher als der Ladezustand des zweiten Energiespeichers, kann durch die Ausgleichsschaltung der Ausgleich des Ladezustands erfolgen und ein Energietransport von dem ersten Energiespeicher zu dem zweiten Energiespeicher durchgeführt werden. Insbesondere kann somit der Energiespeicher mit niedrigem Ladezustand mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher mit erhöhtem Ladezustand aufgeladen werden.
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Wie bereits erläutert sollen die Bezeichnungen „erster Energiespeicher“ und „zweiter Energiespeicher“ ohne Beschränkung der Allgemeinheit zu verstehen sein und sollen keine Relevanz oder spezielle Reihenfolge der Energiespeicher vorgeben. Insbesondere kann der erste Energiespeicher einen erhöhten Ladezustand und der zweite Energiespeicher einen niedrigen Ladezustand besitzen.
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Vorteilhafterweise umfasst die Ausgleichsschaltung ein Schaltelement, eine Induktivität und ein Gleichrichterelement. Das Schaltelement kann insbesondere als ein aktives Schaltelement ausgebildet sein, insbesondere als halbleiterbasiertes Schaltelement, z.B. als Relais oder Transistor, insbesondere als MOSFET. Das Gleichrichterelement kann ein passives Gleichrichterelement sein, z.B. eine Diode, oder auch ein aktives Gleichrichterelement, z.B. ein MOSFET. Wenn eine Diode als Gleichrichterelement vorgesehen ist, soll diese, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, einen Strom zwischen ihrem zweiten und ihrem ersten Spannungsanschluss durchlassen und umgekehrt sperren.
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Durch geeignetes Ansteuern des Schaltelements der Ausgleichsschaltung und zweckmäßige Dimensionierung der Induktivität kann insbesondere der Energietransport zu dem zweiten Energiespeicher eingestellt bzw. geregelt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher durch die Ansteuerung der Ausgleichsschaltung die in der Ausgleichsschaltung gespeicherte und an den zweiten Energiespeicher abgegebene Energie geregelt. Vorteilhafterweise wird die Ausgleichsschaltung zu diesem Zweck mittels einer Pulsbreitenmodulation angesteuert.
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Vorzugsweise umfassen die Mittel, mittels derer die Schaltzustände a) bis c) einstellbar sind, ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement und ein viertes Schaltelement mit jeweils ersten und zweiten Spannungsanschlüssen. Bevorzugte elektrische Verbindungen dieser Schaltelemente und der Elemente der Ausgleichsschaltung gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeugbordnetz, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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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.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes in verschiedenen Schaltzuständen.
- 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes.
- 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes in verschiedenen Schaltzuständen.
- 4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente.
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In 1a ist ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Schaltplans vereinfacht schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeugbordnetz ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
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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. Die Energiespeicher B1 und B2 können mittels der Schaltelemente S1 , S2 , S3 und S4 variabel verschaltet werden.
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Die Schaltelemente 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 Rn veranschaulicht.
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In dem Bordnetz 100 ist eine elektrische Maschine EM vorgesehen, die an einen Stromrichter 10 angebunden ist. Letzterer kann, wie bereits erwähnt, 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.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden 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.
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Eine Ausgleichsschaltung 30 umfasst ein Schaltelement S5 , beispielsweise einen MOSFET, eine Induktivität L1 und ein Gleichrichterelement, beispielsweise eine Diode D1 .
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Gemäß der in 1a dargestellten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes 100 sind jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse dauerhaft leitend miteinander verbunden:
- ein erster Spannungsanschluss B+ der elektrischen Maschine EM, ein erster Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster,
- insbesondere positiver Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und ein erster Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss B- der elektrischen Maschine EM, ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 , ein zweiter Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 und ein zweiter Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 und ein erster Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 , ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 , ein erster Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 und ein erster Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 und ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30, ein zweiter Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30 und ein erster Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30.
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Ist im Rahmen dieser Anmeldung davon die Rede, dass Elemente dauerhaft leitend verbunden sind, sei darunter verstanden, dass eine derartige Verbindung nicht über ein Schaltelement erfolgt, sondern über Kabel und entsprechende dauerhafte Kabelverbindungen, beispielsweise Lötstellen, Klemmen oder Stecker, die in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugbordnetzes nicht unterbrochen bzw. deren Elemente nicht voneinander getrennt bzw. isoliert werden. Hingegen ist eine temporäre Einbindung durch Schaltelemente realisiert.
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Zur Ansteuerung der Schaltelemente S1 , S2 , S3 und S4 sowie der Ausgleichsschaltung 30 ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen, die, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Die Steuereinrichtung 20 ist dazu eingerichtet, die Schaltelemente 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.
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Wenn die Schaltelemente S1 , S2 , S3 , S4 , derart angesteuert werden, dass in dem Schaltzustand c) der erste Energiespeicher B1 und der zweite Energiespeicher B2 in Reihenschaltung an die elektrische Maschine EM angebunden sind, steuert die Steuereinrichtung 20 die Ausgleichsschaltung 30 derart an, dass in einem ersten Schaltzustand elektrische Energie in der Ausgleichsschaltung 30 gespeichert wird und in einem zweiten Schaltzustand die gespeicherte Energie an den zweiten Energiespeicher B2 abgegeben wird.
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In 1b ist das Kraftfahrzeugbordnetz 100 in dem Schaltzustand c) gezeigt. Dabei sind die Schaltelemente S2 und S4 geschlossen, so dass der erste Energiespeicher B1 und der zweite Energiespeicher B2 in Reihenschaltung an die elektrische Maschine EM angebunden sind.
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In 1c ist das Kraftfahrzeugbordnetz 100 in dem Schaltzustand c) gezeigt, wobei die Ausgleichsschaltung 30 in ihrem ersten Schaltzustand geschaltet ist. Dabei ist neben den Schaltelementen S2 und S4 weiterhin das Schaltelement S5 der Ausgleichsschaltung 30 geschlossen.
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Wie durch den Pfeil in 1c angedeutet, fließt in diesem ersten Schaltzustand Strom I1 über das Schaltelement S5 , die Induktivität L1 sowie das Schaltelement S2 . Ein Teil des Stroms der elektrischen Maschine bzw. ein Teil der elektrischen Energie wird somit an dem ersten Energiespeicher B1 vorbeigeführt und in der Induktivität L1 gespeichert.
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In 1d ist das Kraftfahrzeugbordnetz 100 in dem Schaltzustand c) gezeigt, wobei die Ausgleichsschaltung 30 in ihrem zweiten Schaltzustand geschaltet ist. Das Schaltelement S5 ist dabei wieder geöffnet und die Schaltelemente S2 und S4 sind geschlossen.
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In diesem zweiten Schaltzustand wird die in der Induktivität L1 gespeicherte elektrische Energie an den zweiten Energiespeicher B2 abgegeben. Dabei fließt ein Strom I2 über die Diode D1 , die Induktivität L1 und das Schaltelement S4 zum zweiten Energiespeicher B2 .
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Durch die Ausgleichsschaltung 30 kann somit ein Ausgleich von Ladezuständen der beiden Energiespeicher B1 und B2 erfolgen. Die Steuereinheit 20 kann die Ausgleichsschaltung 30 vorzugsweise mit einer Pulsbreitenmodulation ansteuern und somit den ersten und zweiten Schaltzustand der Ausgleichsschaltung 30 wiederholt nacheinander durchführen. Somit kann ein Energietransport von dem ersten Energiespeicher B1 zu dem zweiten Energiespeicher B2 geregelt werden und es kann ermöglicht werden, dass der erste Energiespeicher B1 nicht einen zu hohen Ladezustand besitzt und der zweite Energiespeicher B2 nicht einen zu geringen Ladezustand.
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In 2 ist eine zweite bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet.
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Das Kraftfahrzeugbordnetz 200 unterscheidet sich dabei von dem in 1 dargestellten Kraftfahrzeugbordnetz 100 darin, dass die Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung direkt mit dem zweiten, insbesondere negativen Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 verbunden ist.
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Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung sind jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse dauerhaft leitend miteinander verbunden:
- ein erster Spannungsanschluss B+ der elektrischen Maschine EM, ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und ein erster Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss B- der elektrischen Maschine EM, ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 , ein zweiter Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 und ein zweiter Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 , ein erster Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 und ein erster Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 , ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 und ein erster Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 und ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30, ein zweiter Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30 und ein erster Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30.
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Die Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 und die Ansteuerung der Ausgleichsschaltung 30 erfolgt insbesondere analog zu den obigen Erläuterungen in Bezug auf das Kraftfahrzeugbordnetz 100.
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In 3a ist eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes schematisch dargestellt und mit 300 bezeichnet. Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung sind jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse dauerhaft leitend miteinander verbunden:
- ein erster Spannungsanschluss B+ der elektrischen Maschine EM, ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und ein erster Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss B- der elektrischen Maschine EM, ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 , ein zweiter Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 und ein zweiter Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 , ein erster Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 und ein erster Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 , ein zweiter Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 und ein erster Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30, ein zweiter Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30 und ein erster Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30.
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In 3b ist das Kraftfahrzeugbordnetz 300 in dem Schaltzustand c) gezeigt, wobei die Schaltelemente S2 und S3 geschlossen sind, so dass der erste und der zweite Energiespeicher B1 , B2 in Reihenschaltung an die elektrische Maschine EM angebunden sind.
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In 3c ist das Kraftfahrzeugbordnetz 300 in dem Schaltzustand c) gezeigt, wobei die Ausgleichsschaltung 30 in ihrem ersten Schaltzustand geschaltet ist. Dabei ist neben den Schaltelementen S2 und S3 weiterhin das Schaltelement S5 der Ausgleichsschaltung 30 geschlossen.
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In diesem ersten Schaltzustand fließt Strom I1 über das Schaltelement S5 und die Induktivität L1 . Somit wird ein Teil des Stroms der elektrischen Maschine bzw. ein Teil der elektrischen Energie an dem ersten Energiespeicher B1 vorbeigeführt und in der Induktivität L1 gespeichert.
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In 3d ist das Kraftfahrzeugbordnetz 300 in dem Schaltzustand c) gezeigt, wobei die Ausgleichsschaltung 30 in ihrem zweiten Schaltzustand geschaltet ist. Das Schaltelement S5 ist wieder geöffnet und die Schaltelemente S2 und S4 sind geschlossen.
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In dem zweiten Schaltzustand wird die in der Induktivität L1 gespeicherte elektrische Energie an den zweiten Energiespeicher B2 abgegeben. Dabei fließt ein Strom I2 über die Diode D1 , die Induktivität L1 und das Schaltelement S3 zum zweiten Energiespeicher B2 .
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Analog zu obigen Erläuterungen erfolgt die Ansteuerung der Ausgleichsschaltung 30 vorzugsweise mittels Pulsbreitenmodulation, um zweckmäßigerweise einen Energietransport von dem ersten Energiespeicher B1 zu dem zweiten Energiespeicher B2 regeln zu können.
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Eine vierte bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes ist schematisch in 4 dargestellt und mit 400 bezeichnet.
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Das Kraftfahrzeugbordnetz 400 unterscheidet sich dabei von dem in 3 dargestellten Kraftfahrzeugbordnetz 300 darin, dass die Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30 direkt mit dem ersten, insbesondere positiven Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 verbunden ist.
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Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung sind jeweils die folgenden Spannungsanschlüsse dauerhaft leitend miteinander verbunden:
- ein erster Spannungsanschluss B+ der elektrischen Maschine EM, ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und ein erster Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss B- der elektrischen Maschine EM, ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 , ein zweiter Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 und ein zweiter Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter, insbesondere negativer Spannungsanschluss des ersten Energiespeichers B1 , ein erster Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 und ein erster Spannungsanschluss des vierten Schaltelements S4 ;
- ein erster, insbesondere positiver Spannungsanschluss des zweiten Energiespeichers B2 , ein zweiter Spannungsanschluss des dritten Schaltelements S3 , ein erster Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 und ein erster Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30;
- ein zweiter Spannungsanschluss des ersten Schaltelements S1 und ein zweiter Spannungsanschluss des zweiten Schaltelements S2 ;
- ein zweiter Spannungsanschluss des Schaltelements S5 der Ausgleichsschaltung 30, ein zweiter Spannungsanschluss der Induktivität L1 der Ausgleichsschaltung 30 und ein erster Spannungsanschluss des Gleichrichterelements D1 der Ausgleichsschaltung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013204894 A1 [0003, 0004, 0006, 0010, 0013, 0014, 0015, 0016, 0017]
