DE102020118738A1

DE102020118738A1 - Durch integrierte leistungsnetzwerke versorgtes dc/ac-wechselrichtersystem für erhöhte ausgabeleistung mit robuster auto-stopp-steuerung

Info

Publication number: DE102020118738A1
Application number: DE102020118738.6A
Authority: DE
Inventors: Hanyang B. Chen; Michael J. Irby; Alan F. Judge; Anthony T. Spoto; Stuart C. Salter; Jason Baker
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2021-01-21
Also published as: US10804815B1; CN112238830A

Abstract

Diese Offenbarung stellt ein durch integrierte Leistungsnetzwerke versorgtes DC/AC-Wechselrichtersystem für erhöhte Ausgabeleistung mit robuster Auto-Stopp-Steuerung bereit. Ein Fahrzeug betreibt eine Brennkraftmaschine gemäß einer automatischen Start-Stopp-Funktion, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Ein erster DC-Bus ist dazu ausgelegt, sich mit einer Vielzahl von DC-Verbrauchern zu verbinden. Eine Primärbatterie ist zwischen dem ersten DC-Bus und einer Erdung gekoppelt. Eine erste Lichtmaschine wird durch die Brennkraftmaschine angetrieben, um den ersten DC-Bus mit elektrischer Leistung zu versorgen. Ein zweiter DC-Bus ist mit einer positiven Klemme einer Hilfsbatterie verbunden. Eine negative Klemme der Hilfsbatterie ist mit dem ersten DC-Bus verbunden. Eine zweite Lichtmaschine wird durch die Brennkraftmaschine angetrieben, um den zweiten Bus mit elektrischer Leistung bei einer Spannung zu versorgen, die einer Summe der Spannungen der Primär- und der Hilfsbatterie entspricht. Ein Wechselrichter bezieht elektrische Leistung von dem zweiten DC-Bus, um eine AC-Ausgabe zu generieren, die dazu ausgelegt ist, sich mit AC-Nebenverbrauchern zu verbinden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Systeme von Kraftfahrzeugen und insbesondere eine elektrische Architektur mit einem Niederspannungsbus zur Leistungsversorgung typischer DC-Verbraucher und einem Bus mit höherer Spannung zur Leistungsversorgung eines DC/AC-Wechselrichters, der AC-Verbraucher unterstützt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Autos, Lastwagen und andere Kraftfahrzeuge, die von Brennkraftmaschinen (internal combustion engine - ICE) angetrieben werden, setzen typischerweise ein elektrisches System ein, das auf einer DC-Spannung von etwa 12 Volt basiert. Die DC-Leistung stammt von einer Speicherbatterie (nominell bei 12 V) und einer Lichtmaschine. Die Lichtmaschine wird von dem Motor angetrieben und von einem Spannungsregler gesteuert, der die Ausgabe der Lichtmaschine variiert, um die Batterie wieder aufzuladen und eine gewünschte Spannung auf einem DC-Bus aufrechtzuerhalten, der mit verschiedenen DC-Verbrauchern einschließlich eines Anlassermotors verbunden ist.
Um die Verbindung tragbarer elektrischer Vorrichtungen zu erleichtern, beinhalten Fahrzeuge typischerweise einen oder mehrere Stromanschlüsse in Form von Steckdosen, an die die tragbaren Vorrichtungen angeschlossen werden können, um Leistung zu beziehen. Bei der ersten Einführung wurden die Stromanschlüsse so ausgelegt, dass sie die gleichen 12 V DC liefern, die von den fixen Fahrzeugverbrauchern verwendet werden. In jüngerer Zeit wurden bei Fahrzeugen DC/AC-Wechselrichter eingeführt, um Stromanschlüssen 110V-AC-Strom bei 60 Zyklen/Sekunde zuzuführen, die für die Aufnahme von Standard-Wandsteckern (wie sie in Gebäuden verwendet werden) konfiguriert sind. Infolgedessen beinhalten tragbare Vorrichtungen, die mit elektrischer Leistung versorgt werden können, AC-Verbraucher, wie etwa Laptops, Unterhaltungsvorrichtungen und Batterieladegeräte für angetriebene Handwerkzeuge. Die AC-Leistungssteckdosen können sich in einem Fahrgastraum, einem Laderaum oder einer Ladefläche eines Lastwagens befinden. In der Regel beträgt die verfügbare AC-Ausgabeleistung eines Wechselrichters, der von einem Standard-12V-DC-Bus versorgt wird, aufgrund der Leistungsbeschränkungen des 12V-DC-Busses und des entsprechenden Wirkungsgrads eines 12V-DC-Systems etwa 400 Watt oder weniger.
Um in bestimmten Fahrzeugen, wie etwa Lastkraftwagen und SUVs, einen angemessenen Bereich von AC-Verbrauchertypen zu unterstützen, ist es wünschenswert, dass der AC-Wechselrichter eine Ausgabekapazität von 2000 Watt oder mehr aufweist. Um dieses Ausgabeleistungsniveau zusammen mit einem angemessenen Wirkungsgrad zu erlangen, ist es vorzuziehen, eine Eingangsspannung für den Wechselrichter zu verwenden, die über den 12 V liegt, die von dem Standard-DC-Bus verfügbar ist. Beispielsweise wurde ein separater DC-Bus verwendet, der mit einer Nennspannung von 24 V DC betrieben wird, wobei eine 24V-Hilfsbatterie und ein 24V-Hilfslichtmaschine mit dem separaten Bus verbunden sind, um einen DC/AC-Wechselrichter mit Leistung zu versorgen. Das Bereitstellen einer zweifachen Batterie und Lichtmaschine nur für die AC-Leistungssteckdose(n) kann jedoch zu erheblichen Herstellungskosten führen. Darüber hinaus ist der Einbauraum für die Komponenten in dem Fahrzeug begrenzt. Um die Auswirkungen auf Kosten und Platz zu minimieren, wurde für das 24V-Leistungsnetz eine relativ kleine Batteriegröße verwendet. In einem üblichen Design sind zwei kleine 12V-Bleisäure-Batterien (z. B. mit einer Kapazität von jeweils 8 Ah) in Reihe geschaltet, um dem Hilfsbus eine kombinierte Spannung von 24 V bereitzustellen. Im Vergleich dazu kann die Primärbatterie typischerweise eine Kapazität von 80 Ah aufweisen, um ein zuverlässiges Starten der Brennkraftmaschine bereitzustellen. Da es sich bei der 8 Ah-Batterie um ein allgemein verfügbares Produkt handelt, das für die Verwendung in anderen Anwendungen in Massenproduktion hergestellt wird, ist sie aufgrund ihrer geringen Kosten und kleinen Größe eine gute Wahl. Die in Lastkraftwagen und SUVs verwendete Funktion wird mitunter als Power-to-the-Box (PttB) bezeichnet.
Ein möglicher Nachteil der Verwendung von Batterien mit geringer Kapazität besteht jedoch darin, dass die Zeit, in der die AC-Leistungssteckdose verwendet werden kann, ohne dass die Brennkraftmaschine läuft (d. h. die Zeit, in der der AC-Wechselrichter mit Batterieleistung ohne Beitrag der Lichtmaschine betrieben wird), begrenzt ist. Wenn die Lichtmaschine von dem Motor angetrieben wird, dienen die Batterien auch dazu, 1) Übergangsleistung in Zeiten bereitzustellen, in denen der Verbrauchsbedarf die Nennleistung der Lichtmaschine überschreitet, und 2) überschüssige Leistung zu absorbieren, die von der Lichtmaschine während eines Abfalls des Verbrauchs fließt (d. h. wenn ein mit der AC-Netzsteckdose verbundender signifikanter Verbraucher ausgeschaltet ist). Die kleineren Batterien sind auch in der Durchführung dieser Funktionen weniger effektiv.
Die eingeschränkte Betriebsdauer bei nicht laufendem Motor kann in einem Fahrzeug, das mit einer automatischen Start-Stopp-Funktion (SS-Funktion, auch als Auto-Stopp bekannt) des Motors ausgestattet ist, besonders problematisch sein. In einem Auto-Stopp-System wird der Motor automatisch ausgeschaltet, wenn er sich sonst im Leerlauf befinden würde, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen des Motors zu reduzieren. Wenn die Entladung der Batterie zu groß wird oder wenn der Fahrer das Gaspedal drückt, um die Bewegung fortzusetzen, startet der Motor automatisch neu. Die Verwendung von AC-Verbrauchern, die während der Fahrt an den AC-Wechselrichter angeschlossen sind, kann die Ausschaltzeit des Motors während Auto-Stopp-Ereignissen verringern und dadurch die Vorteile für die Kraftstoffeffizienz und die Emissionsreduzierung begrenzen. Die Auswirkungen können insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder bei gealterten Batterien erheblich sein, da beides die Batteriekapazitäten verringert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der verfügbaren Leistung zur Unterstützung von AC-Verbrauchern während Auto-Stopp des Fahrzeugs. Bei diesem Design ist ein Paar Hilfsbatterien für ein Hochspannungsleistungsnetz parallel geschaltet, und die Parallelkombination ist in Reihe mit einem Niederspannungsleistungsnetz (z. B. 12 V) geschaltet. Die Gesamtzahl und -größe der Batterien für die kombinierten Leistungsnetze sind die gleichen wie für separate Leistungsnetze des Standes der Technik. Während Auto-Stopp des Fahrzeugs beträgt die insgesamt verfügbare elektrische Leistung, die von diesem modifizierten 24V-Batterieack an den AC-Wechselrichter bereitgestellt werden kann, mehr als das Dreifache der Leistung in dem herkömmlichen Design. Daher realisiert das Fahrzeug mehr Möglichkeiten für Auto-Stopp und eine deutliche Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Darüber hinaus kann die kombinierte 24V-12V-Architektur hoch ansteigende Lasten unterstützen, die an die PttB angeschlossen sind.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine Brennkraftmaschine. Ein erster DC-Bus ist dazu ausgelegt, sich mit einer Vielzahl von DC-Verbrauchern zu verbinden. Eine Primärbatterie ist zwischen dem ersten DC-Bus und einer Erdung gekoppelt. Eine erste Lichtmaschine wird durch die Brennkraftmaschine angetrieben, um den ersten DC-Bus mit elektrischer Leistung zu versorgen. Ein zweiter DC-Bus ist mit einer positiven Klemme einer Hilfsbatterie verbunden. Eine negative Klemme der Hilfsbatterie ist mit dem ersten DC-Bus verbunden. Eine zweite Lichtmaschine wird durch die Brennkraftmaschine angetrieben, um den zweiten Bus mit elektrischer Leistung bei einer Spannung zu versorgen, die einer Summe der Spannungen der Primär- und der Hilfsbatterie entspricht. Ein Wechselrichter bezieht elektrische Leistung von dem zweiten DC-Bus, um eine AC-Ausgabe zu generieren, die dazu ausgelegt ist, sich mit AC-Nebenverbrauchern zu verbinden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische 12V-Architektur des Standes der Technik einschließlich einer Sekundärbatterie zur Verbesserung der intelligenten Regeneration und Aufladung (smart regeneration and charging - SRC) zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Architektur des Standes der Technik für einen separaten 24V-Bus zeigt, der einen AC-Wechselrichter für Neben-AC-Verbraucher unterstützt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, die die DC-Busse kombiniert, um die verfügbare Leistung für den AC-Wechselrichter während Auto-Stopp des Motors zu erhöhen.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein erstes bevorzugtes Verfahren der Erfindung zeigt.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein zweites bevorzugtes Verfahren der Erfindung zeigt.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren für einen anderen Aspekt der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein typisches 12Volt-Leistungsnetz mit einem Bus 10, der von einer Primärbatterie 11 und einer Lichtmaschine 12 versorgt wird. Der Bus 10 bezieht sich auf eine Erdung 13 (typischerweise bestehend aus einer Fahrgestellerdung). In der Regel ist am Minuspol der Primärbatterie ein Batteriesensor angebracht, um die Batterieparameter zu überwachen. Die Lichtmaschine 12 wird von einer im Fachgebiet bekannten Brennkraftmsachine 14 angetrieben. Die an dem Bus 10 von der Primärbatterie 11 und/oder der Lichtmaschine 12 verfügbare DC-Leistung, kann verschiedenen DC-Verbrauchern 15 und einem Anlassermotor 16 zugeführt werden.
Bekannte 12Volt-Leistungsnetze enthalten manchmal eine Sekundärbatterie 17, um die Gesamtkapazität zu erhöhen, um die Leistung in Bezug auf Auto-Stopp zu verbessern und eine weitere Verbesserung, die als intelligente Regeneration und Aufladung (SRC) bekannt ist, zu implementieren. Für die SRC weist die Sekundärbatterie 17 typischerweise eine Nennkapazität auf, die geringer als die Nennkapazität der Primärbatterie 11 ist, jedoch eine hohe Aufnahme von Batterieladestrom aufweist. Insbesondere kann die Sekundärbatterie 16 vorzugsweise aus einer Lithiumionenbatterie bestehen. Während des Bremsens oder Ausrollens des Fahrzeugs kann die Lichtmaschine 12 dazu verwendet werden, elektrische Energie zu erzeugen, die zum Laden der Sekundärbatterie 17 verwendet werden kann (z. B. selbst wenn die Primärbatterie 11 einen vollen Ladezustand aufweist). Somit kann Energie, die sonst verschwendet würde, erfasst und in der Sekundärbatterie 17 gespeichert werden, um die Leistung von Auto-Stopp zu ergänzen, indem beispielsweise die Dauer eines Stoppereignisses verlängert wird. Die Sekundärbatterie 17 kann durch einen Schalter 18 unter Steuerung einer Steuerung 20 isoliert sein. Das Isolieren der Sekundärbatterie 17 kann unter bestimmten vorbestimmten Bedingungen, wie etwa Anlassen des Motors, wünschenswert sein. Die Sekundärbatterie 17 würde während Auto-Stopp oder während Zeiten eines hohen Verbrauchs ohne Zündung oder eines niedrigen Ladezustands der Primärbatterie 11 nicht isoliert.
2 zeigt ein separates 24V-Leistungsnetz zur Unterstützung eines DC/AC-Wechselrichters und einer AC-Leistungssteckdose. Der 24V-Bus 21 wird von einem Paar Hilfsbatterien 22 und 23 versorgt, die zwischen dem Bus 21 und einer Fahrgestellerdung 24 in Reihe geschaltet sind. Ein Stromsensor 25 ist in Reihe mit den Batterien 22 und 23 bereitgestellt, um den im Fachgebiet bekannten Batterieladezustand (state of charge - SOC) zu bewerten. Der Bus 21 wird auch von einer 24V-Lichtmaschine 26 mit Leistung versorgt, die ebenfalls die Brennkraftmaschine 14 angetrieben wird. Die 24V-Leistung von dem Bus 21 wird einem Eingang eines Wechselrichters 27 bereitgestellt, der an den Klemmen 28 und 29 einen AC-Ausgabe erzeugt. Der Batterie-SOC und eine gemessene Spannung an dem Bus 21 werden dazu verwendet, die Ausgabe der Lichtmaschine 26 unter Verwendung hinlänglich bekannter Verfahren zu regulieren.
Die Reihenkombination der Batterien 22 und 23 erreicht die erforderliche 24V-Versorgung, während leicht verfügbare Batterien mit einer relativ geringen Kapazität, wie etwa 8 Ah, verwendet werden. Die Batterien 22 und 23 können vorzugsweise aus Bleisäure-Batterien bestehen. In 1 kann die Sekundärbatterie 17 vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer kleinen Kapazität, wie etwa 8 Ah, sein. Die Primärbatterie 11 besteht vorzugsweise aus einer Bleisäure-Batterie mit einer höheren Kapazität, wie etwa 80 8H. Wie zuvor beschrieben, kann die geringe Kapazität der Hilfsbatterien 22 und 23 die Fähigkeit zur Handhabung von Leistungsspitzen oder -ausfällen beeinträchtigen oder verringern und die Verwendung von AC-Leistung während Auto-Stopp begrenzen oder die Verwendung von Auto-Stopp bei starken aktiven AC-Leistungsverbrauchern einschränken.
Um die Batteriekapazität zu erhöhen, die dem 24Volt-Leistungsnetz zur Verfügung steht, ohne die Größe der Batterien zu erhöhen oder zusätzliche Komponenten zu erfordern, wird eine neuartige Architektur, wie in gezeigt, übernommen. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind ein Niederspannungsbus 30 (z. B. 12 V) und ein Hochspannungsbus 31 (z. B. 24 V) in eine einzige elektrische Architektur integriert. Der Bus 30 bezieht elektrische Leistung von 12 Volt von einer Primärbatterie 32 und einer 12V-Lichtmaschine 33. Die vom Bus 30 versorgten Verbraucher beinhalten einen Anlassermotor 34 und herkömmliche 12Volt-Verbraucher 35. In Verbindung mit der Auto-Stopp- und SRC-Funktion ist eine Sekundärbatterie 36 über einen Schalter 37 (z. B. einen MOSFET), der von einer Steuerung 40 angesteuert wird, mit dem Bus 30 verbunden. Die Steuerung 40 steuert auch einen Regler 38, der einen Feldstrom zur Lichtmaschine 33 variiert und auf bekannte Weise eine gewünschte Ausgabespannung von der Lichtmaschine 33 erzeugt.
Ein Paar Hilfsbatterien 41 und 42 ist über einen Stromsensor 43 parallel zwischen Bus 30 und Bus 31 geschaltet. Die parallele Kombination der Hilfsbatterien 41 und 42 stellt eine 12V-Spannungsverstärkung über den Bus 30 bereit, was zu einer Busspannung von 24 V an Bus 31 führt. Der Bus 31 bezieht auch elektrische Leistung von ungefähr 24 V von einer Lichtmaschine 44, die über die Steuerung 40 durch einen Regler 45 gesteuert wird. Der Wechselrichter 46 ist als ein Verbraucher am Bus 31 angeschlossen, um eine AC-Ausgabe an den Klemmen 47 und 48 zu generieren. Die Lichtmaschinen 33 und 44 werden jeweils von der Brennkraftmaschine 49 (z. B. durch eine Riemenscheibe) angetrieben.
Infolge der Wechselwirkung zwischen den Bussen 31 und 30 wird der Wechselrichter 46 von den Hilfsbatterien 41 und 42 und von der Primärbatterie 32 (und potenziell auch von der Sekundärbatterie 36) unterstützt. Die erhöhte Batteriekapazität verlängert die potenzielle Dauer von Auto-Stopp-Ereignissen, da dem Wechselrichter 46 mehr Leistung zur Verfügung steht, ohne dass ein Neustart des Motors 49 erforderlich ist, um alle an die AC-Ausgabeklemmen 47 und 48 angeschlossenen Vorrichtungen mit Leistung zu versorgen. Zusätzlich wird die Batteriekapazität zum Absorbieren von Verbrauchsspitzen und Verbrauchsabfällen zu Zeiten aktiver Lichtmaschine 44 ebenfalls erhöht. Es hat sich herausgestellt, dass die insgesamt verfügbare elektrische Leistung unter Verwendung der in 3 gezeigten Architektur mehr als dreimal so groß wie jene sein kann, die mit der in 2 gezeigten Architektur für Komponenten gleicher Größe erlangt wird.
In 3 kann das Paar Hilfsbatterien 41 und 42, abhängig von den Anforderungen der Fahrzeugprogramme basierend auf Kosten, Ausgabeleistung und entsprechenden Überlegungen zum Einbau, durch eine einzelne 12V-Batterie oder mehrere parallel geschaltete 12V-Batterien ersetzt werden. Außerdem kann der Bus 31 in 3 auf anderen Spannungspegeln, wie etwa 36 V oder 48 V gehalten werden, indem ein entsprechender Hilfsbatteriepack und andere für 24 V oder 36 V ausgelegte Komponenten verwendet werden.
4 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der Auto-Stopp-Funktion unter Verwendung der elektrischen Architektur aus 3, wobei das 24V- und das 12V-Leistungsnetz miteinander verbunden sind. Das Verfahren kann in der Steuerung 40 gemäß einer entsprechend konfigurierten Software oder Firmware durchgeführt werden oder kann andere bekannte Arten von Steuerschaltungen verwenden. Beispielsweise kann die Steuerung eine Kombination aus einem BCM (body control module) und einem PCM (powertrain control module) sein. In Schritt 50 überwacht die Auto-Stopp-Funktion verschiedene Bedingungen bei laufendem Motor. Insbesondere werden die verfügbare 24V-Leistung und der Verbrauch (d. h. der Leistungsverbrauch der an die PttB angeschlossenen AC-Verbraucher) überwacht. In Schritt 52 wird eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob ein Auslöser aufgetreten ist, um ein Auto-Stopp-Ereignis zu initiieren (z. B. ob das Fahrzeug für eine vorbestimmte Zeit eine Geschwindigkeit von Null aufweist). Wenn kein Auslöser aufgetreten ist, überwacht das Verfahren in Schritt 51 weiter die Leistung und den 24V-Verbrauch.
Wenn ein Auto-Stopp-Ereignis ausgelöst wird, wird in Schritt 53 die verfügbare Batterieleistung überprüft. Die Batterieleistung kann aus dem SOC jeder Batterie berechnet werden. Es wird eine Überprüfung durchgeführt, ob die verfügbare 24V-Batterieleistung größer als der Verbrauch des Wechselrichters ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 54 Auto-Stopp gesperrt und es wird zu Schritt 51 zurückgekehrt. Wenn die 24Volt-Batterieleistung ausreichend ist, wird in Schritt 55 das Auto-Stopp-Ereignis zugelassen. Während des Auto-Stopp-Ereignisses überwacht das Verfahren in Schritt 56 weiter, ob die verfügbare 24V-Batterieleistung unter den PttB-Verbrauch abgefallen ist. Wenn dies der Fall ist, wird der Motor in Schritt 50 neu gestartet. Andernfalls wird in Schritt 57 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob eine andere Bedingung zum Beenden des Auto-Stopp-Ereignisses aufgetreten ist (z. B. versucht der Fahrer, das Fahrzeug zu bewegen, oder ein anderer Verbraucher, wie etwa eine Klimasteuerung, erfordert es). Wenn dies der Fall ist, wird der Motor in Schritt 50 neu gestartet. Andernfalls wird zu Schritt 56 zurückgekehrt, um die verfügbare Batterieleistung weiter zu überwachen.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Steuern von Auto-Stopp-Ereignissen, die es einem Benutzer ermöglicht, die fortgesetzte Leistungsversorgung der AC-Verbraucher gegenüber der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu priorisieren. In Schritt 60 wird überprüft, ob ein Auto-Stopp-Auslöser aufgetreten ist. Sobald eine Auslösebedingung erkannt wird, wird in Schritt 51 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die PttB-Funktion eingeschaltet ist (d. h. der AC-Wechselrichter betrieben wird). Wenn dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 62 die herkömmliche Auto-Stopp-Steuerung ohne Berücksichtigung der 24V-Verbraucher aktiviert. Wenn PttB eingeschaltet ist, wird in Schritt 63 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die 24V-Leistungsaufnahme (d. h. der PttB-Verbrauch) kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann einen Wert aufweisen, der zwischen Verbrauchern mit hoher Priorität/hoher Leistung, wie etwa einem Kühlschrank oder anderen Geräten, die eine kontinuierliche Leistungsversorgung benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren, und Verbrauchern mit geringerer Leistung, die möglicherweise toleranter gegenüber Unterbrechungen sind, unterscheidet. Der Schwellenwert kann zum Beispiel etwa 400 W betragen. Wenn der Verbrauch unter dem Schwellenwert liegt, wird Auto-Stopp in Schritt 64 zugelassen, und der aktive Zustand der PttB wird beim Steuern der Dauer eines Auto-Stopp-Ereignisses berücksichtigt. Wenn der 24V-Verbrauch größer als der Schwellenwert ist, dann wird eine Überprüfung durchgeführt, ob der Fahrer in Schritt 65 einen Hochleistungsmodus ausgewählt hat. Der Hochleistungsmodus kann manuell eingestellt werden, um festzulegen, dass der Fahrer die volle Leistung für die AC-Verbraucher sicherstellen möchte. Wenn der Hochleistungsmodus nicht ausgewählt wurde, dann bleibt Auto-Stopp in Schritt 64 weiterhin zulässig. Andernfalls wird Auto-Stopp in Schritt 66 gesperrt.
Da das 24Volt-Leistungsnetz mit dem 12Volt-Leistungsnetz verbunden ist, können sich die Leistungsnetzspannungen während des Fahrzeugbetriebs gegenseitig beeinflussen. Die Regulierung der Spannungen (wie von den jeweiligen Lichtmaschinen bereitgestellt) kann dynamisch gesteuert werden, wie nachstehend offenbart. Insbesondere ist es wünschenswert, die Spannung des 24Volt-Leistungsnetzes dynamisch zu steuern, damit die Auto-Stopp- und SRC-Funktion des 12Volt-Leistungsnetzes nicht von der Spannung des 24Volt-Leistungsnetzes beeinflusst werden. Darüber hinaus kann die SRC-Funktion in dem 24Volt-Leistungsnetz verwendet werden, um die parallelen Hilfsbatterien mit „freier Energie“ zu laden, wenn das Fahrzeug durch das Bremspedal abgebremst wird, um den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs weiter zu verbessern.
Jede Lichtmaschine wird gemäß einem jeweiligen Spannungssollwert gesteuert. Der Spannungssollwert für die 12Volt-Lichtmaschine ist BattULoChrg_U_Cmd. Bei laufendem Motor wird BattULoChrg_U_Cmd basierend auf gemessenen Batterie- und Fahrzeugparametern (Batterie-SOC, Spannung, Strom, Temperatur und Beschleunigungs-/Abbremsstatus des Fahrzeugs) bestimmt, um die SRC-Funktion (intelligente Regeneration und Aufladung) auf herkömmliche Weise zu optimieren.
Für das in 3 gezeigte 24Volt-Leistungsnetz ist die Spannung über den parallelen Hilfsbatterien (VBatt_24V) auf einen Wert eingestellt, der als VBatt_FloatChg24V bezeichnet wird. Vorzugsweise beträgt VBatt_FloatChg24V etwa 26 Volt, so dass der SOC dieser zwei Batterien immer nahe 100 % liegt (und sichergestellt wird, dass der Ladestrom klein bleibt, um ein mögliches Überladen zu vermeiden). Die konventionelle Berechnung von BattULoChrg U Cmd wird nicht beeinflusst, wenn der Strom durch die Hilfsbatterien des 24Volt-Leistungsnetzes sehr klein ist. Daher kann zur Bestimmung von BattULoChrg U Cmd ein herkömmlicher Algorithmus verwendet werden.
In einer ersten Ausführungsform wird ein Spannungssollwert für die 24Volt-Lichtmaschine gemäß einer Formel eingestellt: $BattULoChrg_U_Cmd_24 V = BattULoChrg_U_Cmd + VBatt_FloatChg 12 V$
wobei BattULoChrg_U_Cmd_24V der Spannungssollwert für die 24 Volt-Lichtmaschine ist und wobei VBatt_FloatChg12V eine Schwebeladespannung für eine 12 Volt-Batterie ist (die bei Raumtemperatur etwa 13 V beträgt und entsprechend der Batterietemperatur angepasst wird).
In einer zweiten Ausführungsform wird der Spannungssollwert für die 24Volt-Lichtmaschine auf eine Weise angepasst, dass die Leistung hinsichtlich der Verwendung der SRC-Funktion optimiert wird. Wenn das Fahrzeug unter Verwendung des Bremspedals abgebremst wird, verbraucht die Brennkraftmaschine wenig oder keinen Kraftstoff und die Lichtmaschine kann zum Bremsen des Fahrzeugs verwendet werden. Bei dieser Bedingung kann die von der Lichtmaschine abgegebene elektrische Leistung die „Bremsenergie“ des Fahrzeugs in einen Batterieladestrom umwandeln, ohne Kraftstoff zu verbrauchen. Bei dieser Bedingung wird die Ausgabespannung der Lichtmaschine vorzugsweise höher eingestellt, sodass die Batterien unter Verwendung eines größeren Stroms geladen werden können.
Während der Fahrzeugbeschleunigung ist der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine geringer als normal. Bei dieser Bedingung wird die Spannung der Lichtmaschine vorzugsweise so eingestellt, dass sie niedriger als die Batteriespannung ist, sodass das Leistungsnetz von den entsprechenden Batterien unterstützt wird und der Verbrauch der Lichtmaschine von dem Motor während der Beschleunigung verringert wird.
Dementsprechend wird ein Spannungssollwert basierend auf einem Modus der SRC-Funktion ausgewählt. Für das 24Volt-Leistungsnetz wird eine Variable ChargeMode_24V erzeugt, um den Abbrems-/Beschleunigungszustand des Fahrzeug folgendermaßen darzustellen:

1) ChargeMode_24V = REGEN, wenn das Fahrzeug einen hohen Verbrennungswirkungsgrad aufweist (z. B. während Abbremsen des Fahrzeugs);
2) ChargeMode_24V = DISCHARGE, wenn das Fahrzeug einen geringen Verbrennungswirkungsgrad aufweist (z. B. während Beschleunigung des Fahrzeugs); und
3) ChargeMode_24V = NORMAL bei normalem Wirkungsgrad des Motors.

Der Spannungssollwert für die 24Volt-Lichtmaschine im NORMAL-Lademodus wird gemäß folgender Formel bestimmt: $BattULoChrg_U_Cmd_24 V = BattULoChrg_U_Cmd + BattULoChrg_U_Cmd_AuxBatt$
wobei BattULoChrg_U_Cmd_24V der Spannungssollwert der 24Volt-Lichtmaschine ist, wobei BattULoChrg U_Cmd der oben bestimmte Spannungssollwert für die 12Volt-Lichtmaschine ist und wobei BattULoChrg_U_Cmd_AuxBatt die gewünschte Spannung über den parallelen Hilfsbatterien ist (die vorab festgelegt wird, um die Steuerung des Laden/Entladens der Batterien zu optimieren).
6 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zur Verwendung eines Spannungssollwerts, der gemäß den vorstehend definierten variablen Lademodi eingestellt wird. Bei laufendem Motor in Schritt 70 wählt das Verfahren in Schritt 71 einen Lademodus gemäß der momentanen Beschleunigung oder des momentanen Abbremsens des Fahrzeugs aus. In Schritt 72 wird eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Beschleunigung angibt, dass ein normaler Verbrennungswirkungsgrad vorliegt, und wenn dies der Fall ist, dann wird der Sollwert in Schritt 73 unter Verwendung einer normalen Schwebespannung für das 24Volt-Leistungsnetz über dem gleichzeitig gemessenen Wert der Spannung an dem 12Volt-Leistungsnetz bestimmt.
Wenn nicht im NORMAL-Modus, dann wird in Schritt 74 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Fahrzeugbeschleunigung den REGEN-Modus (Regenerationsmodus) angibt. Wenn dies der Fall ist, dann wird der Spannungssollwert für die 24V-Lichtmaschine in Schritt 75 auf einen Maximalwert eingestellt, wodurch der an die Hilfsbatterien gelieferte Ladestrom maximiert wird. Wenn nicht im REGEN-Modus, dann befindet sich der Lademodus notwendigerweise im DISCHARGE-Modus (Entlademodus) und es liegt eine hohe Fahrzeugbeschleunigung vor. In diesem Fall wird der Spannungssollwert für die 24V-Lichtmaschine in Schritt 76 auf einen Minimalwert eingestellt.
Die Verwendung von parallelen Hilfsbatterien, wie in 3 gezeigt, bietet eine erhebliche Erweiterung der Fähigkeit, die PttB während Auto-Stopp zu betreiben. Die Verwendung von zwei Batterien ist jedoch nicht erforderlich. Eine Ausführungsform der Erfindung, die eine einzelne Batterie mit kleiner Kapazität für die Hilfsbatterie zwischen dem 12Volt-Leistungsnetz und dem 24Volt-Leistungsnetz verwendet, kann immer noch eine Verbesserung von etwa 50 % gegenüber der herkömmlichen Architektur aus 2 bereitstellen.
Gemäß einer Ausführungsform bestehen die ersten vorbestimmten Bedingungen aus dem überwachten Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter, wobei das automatische Stoppen des Motors zugelassen wird, wenn der Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird die zweite Lichtmaschine gemäß einem Sollwert reguliert, wobei der Sollwert einen Maximalwert aufweist, wenn das Fahrzeug abbremst, und wobei der Sollwert einen Minimalwert aufweist, wenn das Fahrzeug beschleunigt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste DC-Bus ein nominaler 12V-Bus, wobei der zweite Bus ein nominaler 24V-Bus ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste DC-Bus ein nominaler 12V-Bus, wobei der zweite Bus ein nominaler 36V-Bus ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste DC-Bus ein nominaler 12V-Bus, wobei der zweite Bus ein nominaler 48V-Bus ist.

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Brennkraftmaschine; einen ersten DC-Bus, der dazu ausgelegt ist, sich mit einer Vielzahl von DC-Verbrauchern zu verbinden; eine Primärbatterie, die zwischen dem ersten DC-Bus und einer Erdung gekoppelt ist, eine erste Lichtmaschine, die durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird, um den ersten DC-Bus mit elektrischer Leistung zu versorgen; einen zweiten DC-Bus; eine Hilfsbatterie mit einer positiven Klemme, die mit dem zweiten DC-Bus verbunden ist, und einer negativen Klemme, die mit dem ersten DC-Bus verbunden ist; eine zweite Lichtmaschine, die durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird, um den zweiten Bus mit elektrischer Leistung bei einer Spannung zu versorgen, die einer Summe der Spannungen der Primär- und der Hilfsbatterie entspricht; und einen Wechselrichter, der elektrische Leistung von dem zweiten DC-Bus bezieht, um eine AC-Ausgabe zu generieren, die dazu ausgelegt ist, sich mit AC-Nebenverbrauchern zu verbinden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Hilfsbatterie aus zwei parallelen Batterien besteht und wobei eine Nennkapazität der zwei parallelen Batterien geringer als eine Nennkapazität der Primärbatterie ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine gemäß einer automatischen Start-Stopp-Funktion betrieben wird, die den Motor unter ersten vorbestimmten Bedingungen automatisch stoppt und dann den Motor unter zweiten vorbestimmten Bedingungen neu startet, wobei der Wechselrichter elektrische Leistung von der Hilfsbatterie und die Primärbatterie bezieht, wenn der Motor automatisch gestoppt wird und wobei das Fahrzeug ferner Folgendes umfasst: einen Anlassermotor, der mit dem ersten Bus gekoppelt ist, um den Motor unter Verwendung elektrischer Energie von der Primärbatterie neu zu starten.
Fahrzeug nach Anspruch 3, das ferner Folgendes umfasst: eine Sekundärbatterie mit einer positiven Klemme, die mit dem ersten Bus gekoppelt ist, um eine Kapazität zum Versorgen der Vielzahl von DC-Verbrauchern mit elektrischer Leistung zu erhöhen, wobei die Sekundärbatterie eine Nennkapazität aufweist, die geringer als eine Nennkapazität der Primärbatterie ist.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die ersten vorbestimmten Bedingungen aus der überwachten Leistungsverfügbarkeit von den Batterien und dem Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter bestehen, wobei das automatische Stoppen des Motor gesperrt ist, wenn der Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter größer als die Leistungsverfügbarkeit von den Batterien ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei die zweiten vorbestimmten Bedingungen aus der überwachten Leistungsverfügbarkeit von den Batterien und dem Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter bestehen, wobei das automatische Neustarten des Motors aktiviert ist, wenn die Leistungsverfügbarkeit von den Batterien kleiner als der Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter ist.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die ersten vorbestimmten Bedingungen aus dem überwachten Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter bestehen und wobei das automatische Stoppen des Motors zugelassen wird, wenn der Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der erste DC-Bus ein nominaler 12V-Bus ist und wobei der zweite Bus ein nominaler 24V-Bus ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die zweite Lichtmaschine gemäß einem Sollwert reguliert wird, wobei der Sollwert einen Maximalwert aufweist, wenn das Fahrzeug abbremst, und wobei der Sollwert einen Minimalwert aufweist, wenn das Fahrzeug beschleunigt.
Elektrisches Fahrzeugsystem, das Folgendes umfasst: einen ersten DC-Bus, der dazu ausgelegt ist, sich mit einer Vielzahl von DC-Verbrauchern zu verbinden; eine Primärbatterie, die zwischen dem ersten DC-Bus und einer Erdung gekoppelt ist; eine erste Lichtmaschine, die dazu konfiguriert ist, durch eine Brennkraftmaschine angetrieben zu werden, um den ersten DC-Bus mit elektrischer Leistung zu versorgen; einen zweiten DC-Bus; eine Hilfsbatterie mit einer positiven Klemme, die mit dem zweiten DC-Bus verbunden ist, und einer negativen Klemme, die mit dem ersten DC-Bus verbunden ist; eine zweite Lichtmaschine, die dazu konfiguriert ist, durch die Brennkraftmaschine angetrieben zu werden, um den zweiten Bus mit elektrischer Leistung bei einer Spannung zu versorgen, die einer Summe der Spannungen der Primär- und der Hilfsbatterie entspricht; und einen Wechselrichter, der elektrische Leistung von dem zweiten DC-Bus bezieht, um eine AC-Ausgabe zu generieren, die dazu ausgelegt ist, sich mit AC-Nebenverbrauchern zu verbinden.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, wobei die Hilfsbatterie aus zwei parallelen Batterien besteht und wobei eine Nennkapazität der zwei parallelen Batterien geringer als eine Nennkapazität der Primärbatterie ist.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, das zur Verwendung mit einer Brennkraftmaschine ausgelegt ist, die gemäß einer automatischen Start-Stopp-Funktion betrieben wird, die den Motor unter ersten vorbestimmten Bedingungen automatisch stoppt und dann den Motor unter zweiten vorbestimmten Bedingungen neu startet, wobei der Wechselrichter elektrische Leistung von der Hilfsbatterie und die Primärbatterie bezieht, wenn der Motor automatisch gestoppt wird und wobei das elektrische Fahrzeugsystem ferner Folgendes umfasst: einen Anlassermotor, der mit dem ersten Bus gekoppelt ist, um den Motor unter Verwendung elektrischer Energie von der Primärbatterie neu zu starten.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 12, das ferner Folgendes umfasst: eine Sekundärbatterie mit einer positiven Klemme, die mit dem ersten Bus gekoppelt ist, um eine Kapazität zum Versorgen der Vielzahl von DC-Verbrauchern mit elektrischer Leistung zu erhöhen, wobei die Sekundärbatterie eine Nennkapazität aufweist, die geringer als eine Nennkapazität der Primärbatterie ist.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 12, wobei die ersten vorbestimmten Bedingungen aus der überwachten Leistungsverfügbarkeit von den Batterien und dem Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter bestehen, wobei das automatische Stoppen des Motors gesperrt ist, wenn der Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter größer als die Leistungsverfügbarkeit von den Batterien ist.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 14, wobei die zweiten vorbestimmten Bedingungen aus der überwachten Leistungsverfügbarkeit von den Batterien und dem Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter bestehen, wobei das automatische Neustarten des Motors aktiviert ist, wenn die Leistungsverfügbarkeit von den Batterien geringer als der Verbrauchsbedarf für den Wechselrichter ist.