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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers eines Kraftfahrzeugs. Über den Gleichspannungswandler wird ein erstes Bordnetz aus einem zweiten Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt. Hierdurch wird in dem ersten Bordnetz der Energiebedarf von dessen elektrischen Verbrauchern zumindest teilweise gedeckt. Die Erfindung umfasst auch den besagten Gleichspannungswandler sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Gleichspannungswandler.
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In einem Kraftfahrzeug können zwei elektrische Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungsebenen bereitgestellt sein. Eine Spannungsebene kann beispielsweise eine Mittelspannung (zum Beispiel in einem Spannungsbereich von 30 Volt bis 60 Volt) oder eine Hochvoltspannung (im Spannungsbereich 60 Volt bis 1000 Volt) vorsehen. Aus diesem Bordnetz kann ein Niedervolt-Bordnetz (z.B. in einem Spannungsbereich kleiner als 30 Volt) über einen Gleichspannungswandler mit elektrischem Strom versorgt werden.
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Das hierzu durchgeführte Tiefsetzen vom Hochvolt-Bordnetz oder Mittelvolt-Bordnetz in das Niedervolt-Bordnetz geschieht heutzutage unabhängig davon, wie die Energie im Hochvolt-Bordnetz/Mittelvolt-Bordnetz erzeugt wird. Die Energie kann dort erzeugt werden, indem ein laufender Verbrennungsmotor einen Generator antreibt, was bedeutet, dass der Verbrennungsmotor dadurch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch aufweist. Die hier gewonnene elektrische Energie wird also mit einem Kraftstoffverbrauch erkauft. Eine andere Möglichkeit der Energieerzeugung ist durch Rekuperation gegeben, bei welcher der Verbrennungsmotor und der Generator durch das ausrollende Kraftfahrzeug geschleppt werden. Diese Form der Energieerzeugung erfordert keinen Kraftstoffverbrauch und stellt somit kostenlose Energie dar.
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Allerdings muss die in der Rekuperation erzeugte elektrische Energie schnell genug von einem elektrischen Energiespeicher eines Bordnetzes aufgenommen werden können, da sie nur beim Ausrollen des Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht. Gerade bei Energiespeichern mit geringer Kapazität kann deshalb oft nicht die gesamte mögliche rekuperierte Energie einer Schubphase des Kraftfahrzeugs genutzt oder aufgenommen werden, da der Energiespeicher des Bordnetzes, in welchem auch der Generator betrieben wird, die Energie nicht vollständig aufnehmen kann. In der Regel handelt es sich dabei hierbei um das Hochvolt-Bordnetz oder das Mittelvolt-Bordnetz.
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Aus der
DE 10 2010 029 299 A1 ist bekannt, bei einem Kraftfahrzeug mit zwei Bordnetzen unterschiedlicher Spannungsebene elektrische Energie, die in einem Rekuperationsbetrieb mittels eines Generators in der einen Spannungsebene gewonnen wird, zusätzlich auch in einem Energiespeicher der anderen Spannungsebene zu speichern, indem ein DC/DC-Wandler den durch die Rekuperation gewonnenen elektrischen Strom in das andere Bordnetz überträgt. Dies setzt jedoch voraus, dass der Energiespeicher in dem anderen Bordnetz auch aufnahmefähig für die gewonnene elektrische Energie ist.
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Aus der
DE 10 2013 201 346 A1 ist bekannt, bei einem Kraftfahrzeug mit den eingangs beschriebenen beiden Bordnetzen mittels des Gleichspannungswandlers dafür zu sorgen, dass im Niedervolt-Bordnetz dessen elektrische Batterie dauerhaft bei der Leerlaufspannung betrieben wird, wodurch eine Belastung des Energiespeichers kompensiert wird. Dies ist für das Aufnehmen von Rekuperationsenergie aber so nicht geeignet.
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Aus der
DE 11 2009 002 655 T5 ist bekannt, einen Ladestatus einer Niedrigspannungs-Batteriereihe in einem elektrischen Hybridfahrzeug beizubehalten, indem die Niedrigspannungs-Batteriereihe mittels einer Hochspannungs-Antriebsbatteriereihe in Abhängigkeit von einem Wiederauflade-Auslösezeitschalter nachgeladen wird. Der Auslösezeitschalter ist aber nicht mit einem Rekuperationsbetrieb abgestimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einem Kraftfahrzeug in einem Rekuperationsbetrieb gewonnene elektrische Energie zu speichern.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. In an sich bekannter Weise wird hierbei über den Gleichspannungswandler ein bei einer ersten Spannungsebene betriebenes erstes Bordnetz aus einem bei einer im Vergleich zur ersten Spannungsebene höheren zweiten Spannungsebene betriebenen zweiten Bordnetz mit einem elektrischen Strom oder mit elektrischer Energie versorgt. Eine andere Bezeichnung für Gleichspannungswandler ist auch DC/DC-Wandler. Die erste Spannungsebene kann in einem Spannungsbereich kleiner als 30 Volt liegen (Niedervolt). Die zweite Spannungsebene kann in einem Spannungsbereich von 30 Volt bis 60 Volt (Mittelvolt) oder von 60 Volt bis 1000 Volt (Hochvolt) liegen.
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Die beschriebene Konstellation sieht also z.B. vor, dass der Gleichspannungswandler im Tiefsetzbetrieb betrieben wird. Hierdurch wird elektrische Energie aus dem zweiten Bordnetz in das erste Bordnetz übertragen. In einem Fahrbetrieb, in welchem ein Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs dieses antreibt, wird mittels der elektrischen Energie ein Energiebedarf von elektrischen Verbrauchern des ersten Bordnetzes zumindest teilweise gedeckt. Mit anderen Worten werden die elektrischen Verbraucher zumindest teilweise mittels elektrischer Energie aus dem zweiten Bordnetz der höheren zweiten Spannungsebene betrieben. Damit muss also ein elektrischer Energiespeicher des ersten Bordnetzes den Energiebedarf nicht vollständig selbst decken. Stattdessen entlädt sich der elektrische Energiespeicher des ersten Bordnetzes auf den durch den Minimalwert vorgegebenen Spannungswert. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um eine Anordnung mit einer Batterie und/oder einem elektrischen Akkumulator und/oder zumindest einem Doppelschichtkondensator handeln.
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Um nun in einem Rekuperationsbetrieb möglichst viel der rekuperierten elektrischen Energie aufnehmen zu können, wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass für jeden der Verbraucher des ersten Bordnetzes eine jeweilige Minimalspannung gegeben ist, unterhalb welcher ein Betrieb des Verbrauchers unmöglich ist, weil beispielsweise eine Steuerschaltung des Verbrauchers einen Reset ausführt oder weil eine elektrische Schaltung instabil arbeitet. Im besagten Fahrbetrieb wird nun in dem Gleichspannungswandler ein Sollwertsignal einer Spannungsregeleinheit für das erste Bordnetz auf einen Wert eingestellt, der hier als Minimalwert bezeichnet ist. Die Spannungsregeleinheit regelt die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, d.h. die Bordnetzspannung im ersten Bordnetz. Im Fahrbetrieb wird nun für das Sollwertsignal dieser Spannungsregeleinheit der Minimalwert eingestellt. Dieser entspricht der größten Minimalspannung der Verbraucher zuzüglich eines vorbestimmten Toleranzwerts, sodass also alle Verbraucher betriebsfähig sind. Mit anderen Worten wird keine der Minimalspannungen der Verbraucher unterschritten. Das erste Bordnetz wird also mit der für einen stabilen Betrieb minimal möglichen Bordnetzspannung betrieben.
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Der Toleranzwert weist hierbei den Vorteil auf, dass für den Fall, dass die Spannungsregeleinheit eine Vergrößerung des Energiebedarfs der Verbraucher nicht mit derselben zeitlichen Dynamik, sondern nur mit einer geringeren zeitlichen Dynamik folgen kann als sich der Energiebedarf selbst ändert, dann der Energiespeicher des ersten Bordnetzes das erste Bordnetz mit elektrischer Energie stützen kann, ohne dass hierbei eine der Minimalspannungen unterschritten wird. Der Toleranzwert kann aber auch 0 betragen.
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In einem Rekuperationsbetrieb, in welchem das Kraftfahrzeug ausrollt und hierbei eine elektrische Maschine des zweiten Bordnetzes im Generatorbetrieb betrieben wird, wird dann das Sollwertsignal auf einen vorbestimmten Maximalwert eingestellt, der größer als der Minimalwert ist. Im Rekuperationsbetrieb wird also im ersten Bordnetz eine größere Bordnetzspannung eingestellt, und zwar durch die Spannungsregeleinheit. Hierdurch wird dann ein Ladebetrieb des Energiespeichers des ersten Bordnetzes ausgelöst, das heißt der Energiespeicher nimmt elektrische Energie auf. Es handelt sich hierbei um elektrische Energie, die im Rekuperationsbetrieb gewonnen wird, sodass also in vorteilhafter Weise die durch Rekuperation gewonnene Energie in dem Energiespeicher des ersten Bordnetzes gespeichert werden kann.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass sich im Fahrbetrieb ein elektrischer Energiespeicher des ersten Bordnetzes auf eine durch den Minimalwert vorgegebene Leerlaufspannung entlädt. Mit anderen Worten sinkt eine Leerlaufspannung des Energiespeichers auf den Spannungswert, wie er durch den Minimalwert vorgegeben ist. Der Energiespeicher wird also so weit wie für einen Betrieb aller Verbraucher möglich entladen. Im Rekuperationsbetrieb wird dann das Sollwertsignal vergrößert auf den Maximalwert, sodass hierdurch auch ein Ladebetrieb des Energiespeichers ausgelöst wird und damit die im Rekuperationsbetrieb gewonnene elektrische Energie auch in den Energiespeicher des ersten Bordnetzes aufgenommen werden kann. Da im Fahrbetrieb der Energiespeicher weitestmöglich entladen wird, ist aber hierbei die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers für rekuperierte Energie maximiert.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass in dem Fall, dass im Fahrbetrieb ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers des ersten Bordnetzes so weit gesunken ist, dass eine Leerlaufspannung des Energiespeichers mit dem Minimalwert übereinstimmt oder auf den Minimalwert gesunken ist, der Energiebedarf der Verbraucher vollständig mittels der Energie aus dem zweiten Bordnetz über den Gleichspannungswandler gedeckt wird und hierdurch der Energiespeicher stromfrei gehalten wird. Mit anderen Worten wird der Strombedarf oder Energiebedarf aller Verbraucher des ersten Bordnetzes mittels elektrischer Energie aus dem zweiten Bordnetz über den Gleichspannungswandler gedeckt oder befriedigt. Somit findet im Fahrbetrieb kein Lade- und Entladevorgang des Energiespeichers des ersten Bordnetzes statt. Damit ist verhindert, dass während des Fahrbetriebs Ladezyklen und Entladezyklen des Energiespeichers entstehen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Gleichspannungswandler in dem besagten Tiefsetzbetrieb betrieben wird, also keine bidirektionale Wandlung erlaubt. Mit anderen Worten wird der Gleichspannungswandler unidirektional betrieben, sodass er Energie nur aus dem zweiten Bordnetz in das erste Bordnetz überträgt und nicht anders herum aus dem ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz. Nach einer Rekuperationsphase wird hierdurch verhindert, dass sich der Energiespeicher des ersten Bordnetzes über den Gleichspannungswandler in das zweite Bordnetz entlädt, weil der Gleichspannungswandler mit seiner Spannungsregeleinheit wieder auf den Minimalwert regeln muss. Dies reduziert Wandlerverluste.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der besagte Minimalwert kleiner als 11 Volt, insbesondere kleiner als 10 Volt ist. Hierdurch ergibt sich bei einem sogenannten 12-Volt-Bordnetz ein Energiehub oder Ladehub, welcher der Energiemenge entspricht, die aus der Rekuperation in dem Energiespeicher gespeichert werden kann.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der besagte Toleranzwert kleiner als 2 Volt, insbesondere kleiner als 1 Volt, ist. Hierdurch wird der Energiehub weiter vergrößert.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Toleranzwert in Abhängigkeit von einer Regeldynamik der Spannungsregeleinheit und/oder einer zeitlichen Dynamik des Energiebedarfs eingestellt wird. Mit anderen Worten wird die Regelgeschwindigkeit oder eine Zeitkonstante der Spannungsregeleinheit und/oder die mögliche zeitliche Veränderung oder ein möglicher zeitlicher Gradient des Energiebedarfs des Energieverbrauchs der Verbraucher berücksichtigt, um den Toleranzwert festzulegen. Der Toleranzwert wird in der Weise festgelegt, dass ein zeitlicher Versatz zwischen einer größstmöglichen zeitlichen Veränderung des Energiebedarfs einerseits und der Anpassung der durch den Gleichspannungswandler bereitgestellten Energie an den Energiebedarf andererseits, zu einem Strom aus dem Energiespeicher in das erste Bordnetzes führen, dass die Spannung des ersten Energiespeichers oberhalb der größten Minimalspannung der Verbraucher gehalten wird oder die größte Minimalspannung erreicht. Es wird also ein Spannungseinbruch unter die größte Minimalspannung verhindert. Damit laufen alle Verbraucher weiterhin stabil. Der zeitliche Versatz beim Nachregeln der Bordnetzspannung kann dadurch entstehen, dass die Regeldynamik der Spannungsregeleinhit geringer ist als die zeitliche Dynamik des Energiebedarfs. Durch Anpassen des Toleranzwerts an die Regeldynamik und/oder die zeitliche Dynamik des Energiebedarfs wird der kleinstmögliche Minimalwert für die Spannungsregeleinheit eingestellt.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Maximalwert, der für den Rekuperationsbetrieb vorgesehen ist, einem für den Energiespeicher des ersten Bordnetzes zulässigen Höchstwert entspricht. Mit anderen Worten kann bei Betreiben der Spannungsregeleinheit mit dem Maximalwert der elektrische Energiespeicher des ersten Bordnetzes auf den maximal möglichen Energiegehalt aufgeladen werden, ohne dabei beschädigt zu werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Maximalwert in einem Spannungsbereich von 12 Volt bis 16 Volt liegt. Somit kann in einem 12-Volt-Bordnetz dessen Energiespeicher voll aufgeladen werden.
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Die Erfindung umfasst auch den besagten Gleichspannungswandler, der eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Steuereinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder eine Steuerlogik oder Logikschaltung aufweisen. Die Schritte des Verfahrens können als ein Programmcode realisiert sein, der durch die Steuervorrichtung ausgeführt werden kann. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung gespeichert sein.
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Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, bei welchem über einen Gleichspannungswandler ein bei einer ersten Spannungsebene betriebenes erstes Bordnetz mit einem bei einer im Vergleich zur ersten Spannungsebene höheren zweiten Spannungsebene betriebenen zweiten Bordnetz gekoppelt ist. Bei dem Gleichspannungswandler handelt es sich hierbei um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist insbesondere als Kraftwagen, bevorzugt als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs während eines Fahrbetriebs;
- 2 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs von 1 während eines Rekuperationsbetriebs;
- 3 ein Diagramm mit einem Graph zu einer von einer Spannungsregeleinrichtung eines Gleichspannungswandlers des Kraftfahrzeugs eingeregelten elektrischen Spannung;
- 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Ladevorgangs; und
- 5 ein Flussschaudiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein erstes elektrisches Bordnetz 11 und ein zweites elektrisches Bordnetz 12 aufweisen. Bei dem ersten elektrischen Bordnetz 11 kann es sich beispielsweise um ein Niedervolt-Bordnetz handeln. Das erste Bordnetz 11 kann bei einer Spannungsebene U1 betrieben werden, die beispielsweise in einem Bereich von 9 Volt bis 16 Volt liegen kann. Eine Spannungsebene U2 des zweiten Bordnetzes 12 kann größer als die Spannungsebene U1 sein. Das Bordnetz 12 kann beispielsweise ein Mittelvolt-Bordnetz oder ein Hochvolt-Bordnetz sein. Die Spannungsebene U2 kann in einem Bereich von 20 Volt bis 60 Volt oder 60 Volt bis 1000 Volt liegen.
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Die Bordnetze 11, 12 können über einen Gleichspannungswandler 13 gekoppelt sein, welcher in einem Tiefsetzstellbetrieb oder als Tiefsetzsteller elektrische Energie aus dem Bordnetz 12 in das Bordnetz 11 übertragen kann.
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In dem Bordnetz 11 können elektrische Verbraucher 14 und ein elektrischer Energiespeicher 15, beispielsweise eine elektrische Batterie oder ein elektrischer Akkumulator, vorgesehen sein. Ein Beispiel für einen elektrischen Verbraucher 14 kann ein Infotainmentsystem (Informations-Unterhaltungssystem) und/oder eine Lenkkraftunterstützung und/oder eine Lichtanlage des Kraftfahrzeugs 10 sein.
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In dem Bordnetz 12 können ein elektrischer Energiespeicher 16 und eine elektrische Maschine 17 vorgesehen sein.
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In dem Bordnetz 11 sind insgesamt n elektrische Verbraucher veranschaulicht, wobei n die Anzahl der elektrischen Verbraucher 14 repräsentiert. Beim Betrieb der elektrischen Verbraucher 14 verbraucht jeder elektrische Verbraucher 14 einen Verbraucherstrom Iv1, Iv2, ...., Ivn. Während eines Fahrbetriebs, wenn elektrische Energie in den Bordnetzen 11, 12 mittels eines Verbrennungsmotors 18 beispielsweise durch Antreiben der elektrischen Maschine 17 im Generatorbetrieb erzeugt wird, können die Verbraucherströme der Verbraucher 14 aus dem Bordnetz 12 mittels des Gleichspannungswandlers 13 bereitgestellt werden. Der Gleichspannungswandler 13 überträgt hierbei die elektrische Energie mittels eines elektrischen Stroms Ib, das heißt eines Gesamtstroms, aus dem Bordnetz 12 in das Bordnetz 11, wo der Strom Ib auf die elektrischen Verbraucher 14 aufgeteilt wird. Hierbei ist für den Fahrbetrieb F1 vorgesehen, dass der Energiespeicher 15 stromfrei gehalten wird, das heißt ein Speicherstrom oder Batteriestrom Ib kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist (beispielsweise kleiner als 1 Ampere) und bevorzugt 0 Ampere beträgt.
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2 zeigt das Kraftfahrzeug 10 in einem vom Fahrbetrieb F1 verschiedenen Rekuperationsbetrieb F2. Im Rekuperationsbetrieb F2 werden die elektrische Maschine 17 und der Verbrennungsmotor 18 geschleppt, das heißt es wird der Schwung des Kraftfahrzeugs 10 dafür genutzt, die elektrische Maschine 17 zu drehen oder anzutreiben. Die elektrische Maschine 17 befindet sich hierbei im Generatorbetrieb und erzeugt somit elektrische Energie im Bordnetz 12. Das Kraftfahrzeug 10 wird hierdurch abgebremst. Die elektrische Energie kann in der beschriebenen Weise durch den Gleichspannungswandler 13 auch in das Bordnetz 11 übertragen werden, sodass weiterhin der Strom Ib fließt und die Verbraucher 14 mit ihren Verbraucherströmen versorgt werden. Zusätzlich kann nun zum Speichern überschüssiger elektrischer Energie aus dem Rekuperationsbetrieb F2 der Batteriestrom Ib größer als 0 eingestellt werden. Hierdurch wird der Energiespeicher 15 mit elektrischer Energie aufgeladen. Um diesen Ladevorgang auszulösen, kann durch eine Steuereinrichtung 19 des Gleichspannungswandlers 13 für den Fahrbetrieb F1 einerseits und für den Rekuperationsbetrieb F2 andererseits eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 13 am Bordnetz 11 auf einen unterschiedlichen Sollwert eingestellt werden. Hierzu kann die Steuereinrichtung 19 für eine Spannungsregeleinheit 20 des Gleichspannungswandlers 13 ein Sollwertsignal 21 vorgegeben. Die Spannungsregeleinheit 20 regelt die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 13 im Bordnetz 11. Das Sollwertsignal 21 gibt den Sollwert vor, auf welchen die Ausgangsspannung eingeregelt werden soll.
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3 veranschaulicht die vorgesehenen Sollwerte für das Sollwertsignal 21. 3 veranschaulicht über einen Ladezustand SOC des Energiespeichers 15 (Angabe in Prozent des Maximalladezustands) eine Leerlaufspannung UII des Energiespeichers 15. Die Leerlaufspannung UII ist diejenige Spannung, die am Energiespeicher 15 anliegt, wenn die elektrischen Klemmen oder Anschlüsse des Energiespeichers 15 mit einem unendlich großen Widerstand verbunden sind oder eben im Leerlauf (keine Verbindung) sind. Es entspricht derjenigen Spannung, die bei dem Energiespeicher 15 jeweils einzustellen ist, damit der Batteriestrom Ib 0 Ampere beträgt. Für den Fahrbetrieb F1 kann für das Sollwertsignal 21 durch die Steuereinrichtung 19 ein Minimalwert W1 vorgesehen sein. Der Minimalwert W1 ist bevorzugt der kleinstmögliche Spannungswert für das Bordnetz 11, bei welchem alle Verbraucher 14 noch stabil laufen. Das heißt, bei einem kleineren Spannungswert würde zumindest einer der Verbraucher 14 instabil laufen, beispielsweise dessen Steuereinrichtung einen Reset durchführen. Für den Rekuperationsbetrieb F2 kann durch die Steuereinrichtung 19 dagegen für das Sollwertsignal 21 ein Maximalwert W2 vorgesehen sein, der den Energiespeicher 15 auf einen maximal zulässigen Ladezustand SOC auflädt (SOC = 100 Prozent). Somit ergibt sich zwischen dem Minimalerwert W1 und dem Maximalwert W2 ein größtmöglicher Ladehub 22, das heißt im Rekuperationsbetrieb F2 kann der Energiespeicher 15 die maximal mögliche Energiemenge aufnehmen, ohne dass hierbei im Fahrbetrieb F1 die Verbraucher 14 instabil betrieben werden. Im Fahrbetrieb W1 ergibt sich nach dem Verbrauch der durch die Rekuperation gewonnenen elektrischen Energie im Energiespeicher 15 dann wieder der minimal mögliche Ladezustand SOCmin. Indem der Gleichspannungswandler 13 hierbei im Fahrbetrieb F1 im Tiefsetzstellerbetrieb betrieben wird, wird diese Energie durch die Verbraucher 14 verbraucht und nicht über den Gleichspannungswandler 13 zurück in das Bordnetz 12 übertragen. Danach, wenn der Energiespeicher 15 wieder seinen minimalen Ladezustand SOCmin erreicht hat, ergibt sich der im Zusammenhang mit 1 beschriebene Betrieb, das heißt der Batteriestrom Ib fällt auf 0 Ampere ab und die Verbraucher 14 werden wieder ausschließlich über den Gleichspannungswandler 13 versorgt.
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4 veranschaulicht noch einmal im Rekuperationsbetrieb F2 den Ladevorgang des Energiespeichers 15 sowie einen Ladevorgang des Energiespeichers 16 des Bordnetzes 12. Die elektrische Maschine 17 wird im Generatorbetrieb betrieben und erzeugt die elektrische Energie. Mittels der elektrischen Energie im Rekuperationsbetrieb F2 kann zum einen der Energiespeicher 16 von einem aktuellen Ladezustand 23 auf einen maximalen Ladezustand 24 aufgeladen werden. Mittels des Gleichspannungswandlers 13 kann ein Teil der elektrischen Energie aus dem Rekuperationsbetrieb F2 über den Strom Ib in den Energiespeicher 15 übertragen werden, der bis dahin im Fahrbetrieb F1 auf dem minimalen Ladezustand SOCmin betrieben oder gehalten wurde und nun mit der Energie auf den maximalen Ladezustand aufgeladen werden kann. Hierdurch ist die von dem Energiespeicher 15 im Rekuperationsbetrieb F2 aufnehmbare Energie maximiert.
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5 veranschaulicht ein Verfahren, das durch die Steuereinrichtung 19 des Gleichspannungswandlers 13 durchgeführt werden kann. Die Steuereinrichtung 19 kann hierzu beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweisen.
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In einem Schritt S10 wird über den Gleichspannungswandler 13 das bei der ersten Spannungsebene U1 betriebene erste Bordnetz 11 aus dem bei der im Vergleich zur ersten Spannungsebene U1 höheren zweiten Spannungsebene U2 betriebene zweite Bordnetz 12 mit elektrischer Energie versorgt, die mittels des Stroms Ib übertragen werden kann. Hierbei wird im Fahrbetrieb F1, in welchem der Verbrennungsmotor 18 des Kraftfahrzeugs 10 dieses antreibt, mittels der Energie ein Energiebedarf der elektrischen Verbraucher 14 des ersten Bordnetzes 11 in einem Schritt S11 zumindest teilweise gedeckt. Der andere Teil kann aus dem Energiespeicher 15 stammen, der sich auf den minimalen Ladezustand SOCmin entlädt.
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Für den nächsten Schritt S12 wird ausgenutzt, dass jeder der Verbraucher eine jeweilige Minimalspannung Umin1, Umin2, Uminn aufweist, unterhalb welcher ein Betrieb des jeweiligen Verbrauchers 14 unmöglich ist. In dem Schritt S11 wird dabei im Fahrbetrieb F1 in dem Gleichspannungswandler 13 das Sollwertsignal 21 der Spannungsregeleinheit 20 für das erste Bordnetz 11 auf den Minimalwert W1 eingestellt, wobei der Minimalwert W1 der größten Minimalspannung Umin1, Umin2, Uminn zuzüglich eines vorbestimmten Toleranzwerts 25 entspricht, sodass alle Verbraucher 14 betriebsfähig sind und sich der Energiespeicher 15 des ersten Bordnetzes 11 auf den durch den Minimalwert M1 vorgegebenen Spannungswert (UII 0 W1) entlädt und somit den minimalen Ladezustand SOCmin aufweist.
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In dem Schritt S12 wird dann in dem Rekuperationsbetrieb F2, in welchem das Kraftfahrzeug 10 ausrollt und hierbei die elektrische Maschine 17 des zweiten Bordnetzes 12 im Generatorbetrieb betrieben wird, das Sollwertsignal 21 auf den vorbestimmten Maximalwert W2 eingestellt, der größer als der Minimalwert W1 ist.
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Durch diese Vorgehensweise fließt somit im Fahrbetrieb F1 kein Strom Ib in den Energiespeicher 15 und die gesamte tiefgesetzte Energie für das Bordnetz 11 wird für die Deckung der Verbraucher 14 aufgewendet. Die elektrischen Verluste in dem Energiespeicher 15 werden minimiert und die Lebensdauer des Energiespeichers 15 steigt, insbesondere wenn es sich um eine Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, handelt. Außerdem wird der Ladezustand in dem Energiespeicher 15 minimiert, sodass im Rekuperationsbetrieb F2 der Ladehub 22 zur Verfügung steht.
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Hierzu stellt das durch die Steuereinrichtung 19 bereitgestellte Energiemanagement für den Gleichspannungswandler 13 die minimale Leerlaufspannung UII des Energiespeichers 15 ein, das heißt den Minimalwert W1. Dieser ist dann für den Gleichspannungswandler 13 die Sollgröße, das heißt das Sollwertsignal 21, auf welches die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 13 im Bordnetz 11 im Fahrbetrieb F1 eingeregelt wird. Sobald sich der Energiespeicher 15 so weit entladen hat, dass er den minimalen Ladezustand SOCmin eingenommen hat, fließt kein Strom Ib mehr, das heißt der Energiespeicher 15 ist stromfrei. In der Rekuperationsphase oder im Rekuperationsbetrieb F2 dagegen wird das Sollwertsignal 21 auf den Maximalwert W2 gesetzt und somit der Energiespeicher 15 geladen. Es wird somit zusätzliche Kapazität des Energiespeichers 15 bereitgestellt (Ladehub 22) und somit die im Rekuperationsbetrieb F2 ohne Kraftstoffverbrauch erzeugte elektrische Energie gespeichert oder gerettet. Diese Energie durch Rekuperation würde ansonsten ungenutzt verloren gehen, wenn die Speicherkapazität der Energiespeicher 15 und 16 erschöpft wäre und müsste somit beispielsweise über die Reibbremse des Kraftfahrzeugs 10 abgebaut werden. Stattdessen kann nun mit der zusätzlichen gespeicherten Energie der Anteil an Nachladephasen der Energiespeicher 15 und 16 bei laufendem Verbrennungsmotor 18 reduziert werden. Es wird somit direkt Kraftstoff gespart. Dies wird durch den möglichst hohen Ladehub 22 ermöglicht, wobei hierbei die Bordnetzstabilität des Bordnetzes 11 nicht gefährdet wird.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine intelligente Energieverteilung bei Rekuperation für Antriebe mit mehreren Spannungsebenen bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010029299 A1 [0005]
- DE 102013201346 A1 [0006]
- DE 112009002655 T5 [0007]
