DE102021119957A1 - Method and device for operating energy generators for a vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung (200) zum Betreiben von mehreren Energieerzeugern (201, 202, 223) zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem elektrischen Bordnetz (220) eines Fahrzeugs (100) beschrieben. Die Vorrichtung (200) ist eingerichtet, zu bewirken, dass ein erster Energieerzeuger (201) betrieben wird, um eine Ist-Spannung (231) an einem Referenzpunkt (242) des Bordnetzes (220) auf einen Spannungs-Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln. Die Vorrichtung (200) ist ferner eingerichtet, zu bewirken, dass ein zweiter Energieerzeuger (202, 223) in Abhängigkeit von einer Auslastung (310) des ersten Energieerzeugers (201) betrieben wird, um elektrische Energie in dem Bordnetz (220) bereitzustellen.A device (200) for operating a plurality of energy generators (201, 202, 223) for providing electrical energy in an on-board electrical system (220) of a vehicle (100) is described. The device (200) is set up to cause a first energy generator (201) to be operated in order to set, in particular to regulate, an actual voltage (231) at a reference point (242) of the vehicle electrical system (220) to a desired voltage value . The device (200) is also set up to cause a second energy generator (202, 223) to be operated depending on a load (310) of the first energy generator (201) in order to provide electrical energy in the vehicle electrical system (220).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben von unterschiedlichen Energieerzeugern zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem elektrischen Fahrzeug-Bordnetz.The invention relates to a method and a corresponding device for operating different energy generators to provide electrical energy in an electrical vehicle electrical system.
Ein Fahrzeug weist ein elektrisches Bordnetz zur elektrischen Energieversorgung von unterschiedlichen elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs auf. Bei Erhöhung der Anzahl von elektrischen Verbrauchern in dem Bordnetz steigt typischerweise auch der elektrische Energiebedarf in dem Bordnetz. Der erhöhte Energiebedarf kann dabei z.B. durch die Bereitstellung von ein oder mehreren zusätzlichen Energieerzeugern gedeckt werden, wobei ein Energieerzeuger eingerichtet sein kann, elektrische Energie aus einem anderen Bordnetz des Fahrzeugs (z.B. aus einem Hochvolt-Bordnetz) in das Bordnetz mit den elektrischen Verbrauchern zu transferieren.A vehicle has an on-board electrical system for supplying electrical energy to various electrical consumers in the vehicle. When the number of electrical consumers in the vehicle electrical system increases, the electrical energy requirement in the vehicle electrical system typically also increases. The increased energy requirement can be covered, for example, by providing one or more additional energy generators, with an energy generator being set up to transfer electrical energy from another vehicle electrical system (e.g. from a high-voltage vehicle electrical system) to the electrical system with the electrical consumers .
Der Betrieb von mehreren elektrischen Energieerzeugern zur Deckung des Energiebedarfs in einem Bordnetz kann zu Ineffizienzen und/oder Instabilitäten bei der Energieversorgung des Bordnetzes führen.The operation of several electrical energy generators to cover the energy requirement in an on-board network can lead to inefficiencies and/or instabilities in the energy supply of the on-board network.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine möglichst effiziente und stabile Energieversorgung eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes durch mehrere elektrische Energieversorger zu ermöglichen.This document deals with the technical task of enabling the most efficient and stable possible energy supply to an electrical vehicle on-board network from several electrical energy suppliers.
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.The object is solved by each of the independent claims. Advantageous embodiments are described inter alia in the dependent claims. It is pointed out that additional features of a patent claim dependent on an independent patent claim without the features of the independent patent claim or only in combination with a subset of the features of the independent patent claim can form a separate invention independent of the combination of all features of the independent patent claim, which can be made the subject of an independent claim, a divisional application or a subsequent application. This applies equally to the technical teachings described in the description, which can form an invention independent of the features of the independent patent claims.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betreiben von mehreren Energieerzeugern zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem elektrischen Bordnetz eines (Kraft-) Fahrzeugs beschrieben. Das Bordnetz kann ein Niedervolt-Bordnetz des Fahrzeugs sein, z.B. mit einer Nennspannung von 60V oder weniger, insbesondere mit einer Nennspannung von 12V oder 48V.According to one aspect, a device for operating a plurality of energy generators for providing electrical energy in an on-board electrical system of a (motor) vehicle is described. The vehicle electrical system can be a low-voltage vehicle electrical system, e.g. with a nominal voltage of 60V or less, in particular with a nominal voltage of 12V or 48V.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, zu bewirken, dass ein erster Energieerzeuger (z.B. ein erster Gleichspannungswandler) betrieben wird, um die Ist-Spannung an einem Referenzpunkt des Bordnetzes auf einen Spannungs-Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln. Der Referenzpunkt kann an einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere an den Klemmen eines Energiespeichers, des Bordnetzes angeordnet sein. Der erste Energieerzeuger kann ausgebildet sein, elektrische Energie aus einem anderen Bordnetz des Fahrzeugs (z.B. aus einem Hochvolt-Bordnetz mit einer Nennspannung von 300V oder mehr) in das Bordnetz zu transferieren.The device is set up to cause a first energy generator (e.g. a first DC-DC converter) to be operated in order to adjust, in particular to regulate, the actual voltage at a reference point of the vehicle electrical system to a voltage setpoint value. The reference point can be arranged on an electrical energy store, in particular on the terminals of an energy store, of the vehicle electrical system. The first energy generator can be designed to transfer electrical energy from another vehicle electrical system (e.g. from a high-voltage vehicle electrical system with a nominal voltage of 300V or more) to the vehicle electrical system.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, Messdaten in Bezug auf die Ist-Spannung an dem Referenzpunkt zu ermitteln (z.B. anhand einer Spannungs-Messeinheit an dem Referenzpunkt). Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den ersten Energieerzeuger in Abhängigkeit von den Messdaten zu betreiben, insbesondere um die Ist-Spannung auf den Spannungs-Sollwert zu regeln. Zu diesem Zweck kann z.B. als Stellgröße der Duty Cycle des ersten Gleichspannungswandlers verändert werden. Der erste Energieerzeuger kann somit als Spannungsregler betrieben werden, um die Ist-Spannung an einem bestimmten Referenzpunkt in dem Bordnetz des Fahrzeugs auf einen Spannungs-Sollwert einzustellen.The device can be set up to determine measurement data relating to the actual voltage at the reference point (e.g. using a voltage measuring unit at the reference point). Furthermore, the device can be set up to operate the first energy generator as a function of the measurement data, in particular in order to regulate the actual voltage to the desired voltage value. For this purpose, e.g. the duty cycle of the first DC-DC converter can be changed as a manipulated variable. The first energy generator can thus be operated as a voltage regulator in order to set the actual voltage at a specific reference point in the vehicle's electrical system to a desired voltage value.
Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, zu bewirken, dass (zumindest) ein zweiter Energieerzeuger (z.B. ein zweiter Gleichspannungswandler) in Abhängigkeit von der Auslastung des ersten Energieerzeugers betrieben wird, um elektrische Energie in dem Bordnetz bereitzustellen. Der erste Energieerzeuger kann z.B. eine maximal mögliche Leistung und/oder einen maximal möglichen Duty Cycle aufweisen. Die Auslastung kann z.B. den Anteil (z.B. den Prozentsatz) der maximal möglichen Leistung und/oder des maximal möglichen Duty Cycle anzeigen, mit dem der erste Energieerzeuger (an einem bestimmten Zeitpunkt) betrieben wird.Furthermore, the device is set up to cause (at least) a second energy generator (e.g. a second DC-DC converter) to be operated depending on the utilization of the first energy generator in order to provide electrical energy in the vehicle electrical system. The first energy generator can, for example, have a maximum possible power and/or a maximum possible duty cycle. The utilization can show, for example, the proportion (e.g. the percentage) of the maximum possible power and/or the maximum possible duty cycle with which the first energy producer (at a specific point in time) is operated.
Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, Auslastungsinformation in Bezug auf die aktuelle Auslastung des ersten Energieerzeugers zu ermitteln. Die Auslastungsinformation kann den Anteil (z.B. den Prozentsatz) der maximal möglichen Leistung und/oder des maximal möglichen Duty Cycle anzeigen, mit dem der erste Energieerzeuger betrieben wird. Der zweite Energieerzeuger kann dann in Abhängigkeit von der Auslastungsinformation betrieben werden, insbesondere um zu bewirken, dass die Auslastung des ersten Energieerzeugers einen bestimmten Auslastungs-Schwellenwert nicht überschreitet.In particular, the device can be set up to determine utilization information relating to the current utilization of the first energy producer. The utilization information can display the proportion (eg the percentage) of the maximum possible power and/or the maximum possible duty cycle with which the first energy generator is operated. The second energy generator can then be operated as a function of the utilization information, in particular in order to ensure that the utilization of the first energy generator gers does not exceed a certain load threshold.
Durch die Kombination eines ersten Energieerzeugers, der (bevorzugt allein) die Spanungsregelung in dem Bordnetz bewirkt, und zumindest einem zweiten Energieerzeuger, der den ersten Energieerzeuger unterstützt, um die Auslastung des ersten Energieerzeugers zu begrenzen, kann eine besonders effiziente und stabile Energieversorgung des Bordnetzes bewirkt werden.The combination of a first energy producer, which (preferably alone) brings about the voltage regulation in the vehicle electrical system, and at least one second energy producer, which supports the first energy producer in order to limit the utilization of the first energy producer, can result in a particularly efficient and stable energy supply to the vehicle electrical system become.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass der zweite Energieerzeuger betrieben wird, um die Ist-Auslastung des ersten Energieerzeugers auf einen Auslastungs-Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln.The device can be set up to cause the second energy producer to be operated in order to set, in particular to regulate, the actual utilization of the first energy producer to a desired utilization value.
Der erste Energieerzeuger kann bei einer ersten Auslastung einen optimalen Wirkungsgrad zur Bereitstellung von elektrischer Energie in dem Bordnetz aufweisen. Mit anderen Worten, der erste Energieerzeuger kann derart ausgebildet sein, dass der erste Energieerzeuger bei der ersten Auslastung ein (lokales oder globales) Effizienzoptimum in Bezug auf die Bereitstellung von elektrischer Energie in dem Bordnetz aufweist.At a first load, the first energy generator can have an optimum degree of efficiency for providing electrical energy in the vehicle electrical system. In other words, the first energy generator can be designed in such a way that the first energy generator has a (local or global) efficiency optimum with regard to the provision of electrical energy in the vehicle electrical system when it is first utilized.
Der Auslastungs-Sollwert kann dann bevorzugt derart sein, dass der Auslastungs-Sollwert um höchstens 10% von der ersten Auslastung abweicht. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zu bewirken, dass der zweite Energieerzeuger derart betrieben wird, dass die Ist-Auslastung des ersten Energieerzeugers, zumindest im zeitlichen Mittel, um höchstens 10% von der ersten Auslastung abweicht.The desired utilization value can then preferably be such that the desired utilization value deviates from the first utilization by at most 10%. Alternatively or additionally, the device can be set up to cause the second energy producer to be operated in such a way that the actual utilization of the first energy producer deviates from the first utilization by at most 10%, at least on average over time.
Der zweite Energieerzeuger kann somit dazu verwendet werden, die Auslastung des ersten Energieerzeugers auf einen bestimmten (optimalen) Auslastungs-Sollwert einzustellen. Zu diesem Zweck kann (wiederholt) Auslastungsinformation in Bezug auf die Auslastung des ersten Energieerzeugers ermittelt werden, und der zweite Energieerzeuger kann in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Auslastungsinformation betrieben werden. Beispielsweise kann eine Stellgröße (z.B. der Duty Cycle) des zweiten Energieerzeugers in Abhängigkeit von der Auslastungsinformation, insbesondere in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der Ist-Auslastung und dem Auslastungs-Sollwert, angepasst werden.The second energy producer can thus be used to adjust the utilization of the first energy producer to a specific (optimal) nominal utilization value. For this purpose, utilization information relating to the utilization of the first energy producer can be determined (repeatedly), and the second energy producer can be operated as a function of the current utilization information. For example, a manipulated variable (e.g. the duty cycle) of the second energy generator can be adjusted as a function of the utilization information, in particular as a function of the deviation between the actual utilization and the utilization target value.
Durch das Einstellen der Auslastung des ersten Energieerzeugers auf einen Auslastungs-Sollwert kann ein besonders energieeffizienter und stabiler Betrieb des Bordnetzes ermöglicht werden.Adjusting the utilization of the first energy generator to a setpoint utilization value makes it possible to operate the vehicle electrical system in a particularly energy-efficient and stable manner.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass der zweite Energieerzeuger betrieben wird, um einen bestimmten Sollstrom und/oder eine bestimmte Sollleistung in dem Bordnetz bereitzustellen. Es kann somit eine Strom- und/oder Leistungsregelung des zweiten Energieerzeugers bewirkt werden, um die Stabilität des Betriebs des Bordnetzes weiter zu erhöhen.The device can be set up to cause the second energy generator to be operated in order to provide a specific target current and/or a specific target power in the vehicle electrical system. Current and/or power regulation of the second energy generator can thus be effected in order to further increase the stability of the operation of the vehicle electrical system.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass die Ist-Auslastung des ersten Energieerzeugers gleich wie oder größer als ein oberer Auslastungs-Schwellenwert ist. In Reaktion darauf kann bewirkt werden, dass von dem zweiten Energieerzeuger in dem Bordnetz eine um einen bestimmten Mengenwert erhöhte elektrische Leistung und/oder ein um einen bestimmten Mengenwert erhöhter elektrischer Strom bereitgestellt werden. Es kann somit eine schrittweise Erhöhung der von dem zweiten Energieerzeuger bereitgestellten Leistung bewirkt werden. Beispielsweise kann der gesamte mögliche Leistungsbereich des zweiten Energieerzeugers in 3 bis 10 Schritte unterteilt werden. Der Mengenwert kann somit zwischen 1/10 bis 1/3 des gesamten möglichen Leistungsbereichs des zweiten Energieerzeugers liegen. Durch eine schrittweise Erhöhung der bereitgestellten Leistung können die Stabilität und die Energieeffizienz des Bordnetzes weiter erhöht werden.The device can be set up to detect that the actual utilization of the first energy producer is equal to or greater than an upper utilization threshold value. In response to this, the second energy generator in the vehicle electrical system can provide an electrical power that is increased by a certain quantity and/or an electrical current that is increased by a certain quantity. A gradual increase in the power provided by the second energy generator can thus be brought about. For example, the entire possible power range of the second energy generator can be divided into 3 to 10 steps. The quantitative value can thus be between 1/10 to 1/3 of the entire possible power range of the second energy generator. By gradually increasing the power provided, the stability and energy efficiency of the vehicle electrical system can be further increased.
In entsprechender Weise kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zu detektieren, dass die Ist-Auslastung des ersten Energieerzeugers gleich wie oder kleiner als ein unterer Auslastungs-Schwellenwert ist (wobei der untere Auslastungs-Schwellenwert gleich wie oder kleiner als der obere Auslastungs-Schwellenwert ist). In einem bevorzugten Beispiel ist der untere Auslastungs-Schwellenwert kleiner als der obere Auslastungs-Schwellwert minus einer Auslastungsdifferenz des ersten Energieerzeugers, die von dem o.g. Mengenwert an Strom bzw. Leistung des zweiten Energieerzeugers bewirkt wird. So kann ein besonders stabiler Betrieb der Energieversorgung des Bordnetzes ermöglicht werden.Correspondingly, the device can be set up to detect that the actual utilization of the first energy producer is equal to or lower than a lower utilization threshold value (where the lower utilization threshold value is equal to or lower than the upper utilization threshold value) . In a preferred example, the lower utilization threshold value is less than the upper utilization threshold value minus a utilization difference of the first energy producer, which is caused by the above-mentioned amount of electricity or power of the second energy producer. A particularly stable operation of the energy supply of the vehicle electrical system can be made possible in this way.
In Reaktion auf die erkannte Reduzierung der Auslastung kann bewirkt werden, dass von dem zweiten Energieerzeuger in dem Bordnetz eine um den bestimmten Mengenwert reduzierte elektrische Leistung und/oder ein um den bestimmten Mengenwert reduzierter elektrischer Strom bereitgestellt werden. Durch eine schrittweise Reduzierung der bereitgestellten Leistung können die Stabilität und die Energieeffizienz des Bordnetzes weiter erhöht werden.In response to the detected reduction in utilization, the second energy generator in the vehicle electrical system can provide an electrical power reduced by the specific quantity value and/or an electric current reduced by the specific quantity value. By gradually reducing the power provided, the stability and energy efficiency of the vehicle electrical system can be further increased.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass der zweite Energieerzeuger erst dann zur Bereitstellung von elektrischer Energie in dem Bordnetz betrieben wird, wenn die von dem zweiten Energieerzeuger bereitzustellende elektrische Leistung und/oder wenn der von dem zweiten Energieerzeuger bereitzustellende Strom einen vordefinierten Mindestwert erreicht oder überschreitet.The device can be set up to ensure that the second energy generator is only then used to provide electrical energy in the vehicle electrical system is operated when the electrical power to be provided by the second energy generator and/or when the current to be provided by the second energy generator reaches or exceeds a predefined minimum value.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, (vor Aktivierung des zweiten Energieerzeugers) zu überprüfen, ob die von dem zweiten Energieerzeuger bereitzustellende elektrische Leistung und/oder der von dem zweiten Energieerzeuger bereitzustellende Strom einen vordefinierten Mindestwert erreicht oder überschreitet. Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zu bewirken, dass der zweite Energieerzeuger nur dann zur Bereitstellung von elektrischer Energie in dem Bordnetz betrieben wird, wenn die von dem zweiten Energieerzeuger bereitzustellende elektrische Leistung und/oder wenn der von dem zweiten Energieerzeuger bereitzustellende Strom den vordefinierten Mindestwert erreicht oder überschreitet.Alternatively or additionally, the device can be set up to check (before activating the second energy generator) whether the electrical power to be provided by the second energy generator and/or the current to be provided by the second energy generator reaches or exceeds a predefined minimum value. Furthermore, the device can be set up to ensure that the second energy generator is only operated to provide electrical energy in the vehicle electrical system when the electrical power to be provided by the second energy generator and/or when the current to be provided by the second energy generator exceeds the predefined Minimum value reached or exceeded.
Es kann somit bewirkt werden, dass der zweite Energieerzeuger nur mit einer bestimmten Mindestleistung betrieben wird. So kann die Energieeffizienz des Bordnetzes weiter erhöht werden.It can thus be brought about that the second energy generator is only operated with a specific minimum output. In this way, the energy efficiency of the vehicle electrical system can be further increased.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass eine Spannung, insbesondere die Ist-Spannung an dem Referenzpunkt, des Bordnetzes eine Mindestspannung erreicht oder unterschreitet. Es kann dann in Reaktion darauf (automatisch) bewirkt werden, dass der zweite Energieerzeuger (ggf. unabhängig von der Auslastung des ersten Energieerzeugers) betrieben wird, um elektrische Energie in dem Bordnetz bereitzustellen. Es kann somit eine Notversorgung durch den zweiten Energieversorger bereitgestellt werden. So kann die Stabilität des Bordnetzes weiter erhöht werden.The device can be set up to detect that a voltage, in particular the actual voltage at the reference point, of the vehicle electrical system has reached or fallen below a minimum voltage. In response to this, it can then (automatically) be brought about that the second energy producer (possibly independently of the utilization of the first energy producer) is operated in order to provide electrical energy in the vehicle electrical system. An emergency supply can thus be provided by the second energy supplier. In this way, the stability of the vehicle electrical system can be further increased.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, wiederholt an einer Sequenz von Zeitpunkten, Temperaturdaten in Bezug auf die Temperatur des ersten Energieerzeugers und/oder des zweiten Energieerzeugers zu ermitteln. Die Temperaturdaten können z.B. mittels eines Temperatursensors erfasst werden.The device can be set up to repeatedly determine temperature data relating to the temperature of the first energy generator and/or the second energy generator at a sequence of times. The temperature data can be recorded, for example, using a temperature sensor.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Leistungsverteilung der von dem ersten Energieerzeuger in dem Bordnetz bereitgestellten ersten Leistung und der von dem zweiten Energieerzeuger in dem Bordnetz bereitgestellten zweiten Leistung in Abhängigkeit von den Temperaturdaten einzustellen und/oder anzupassen.Furthermore, the device can be set up to set and/or adapt the power distribution of the first power provided by the first energy generator in the vehicle electrical system and the second power provided by the second energy generator in the vehicle electrical system as a function of the temperature data.
Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, auf Basis der Temperaturdaten zu bestimmen, dass die Temperatur des ersten Energieerzeugers einen Temperatur-Schwellenwert erreicht oder überschreitet. In Reaktion darauf kann dann bewirkt werden, dass die erste Leistung reduziert und die zweite Leistung erhöht werden (sodass die Summe aus der ersten und der zweiten Leistung konstant bleibt). Alternativ oder ergänzend kann auf Basis der Temperaturdaten bestimmt werden, dass die Temperatur des zweiten Energieerzeugers einen Temperatur-Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Es kann dann in Reaktion darauf bewirkt werden, dass die erste Leistung erhöht und die zweite Leistung reduziert werden (sodass die Summe aus der ersten und der zweiten Leistung konstant bleibt).In particular, the device can be set up to determine on the basis of the temperature data that the temperature of the first energy generator has reached or exceeded a temperature threshold value. In response, the first power can then be caused to decrease and the second power to increase (so that the sum of the first and second powers remains constant). Alternatively or additionally, it can be determined on the basis of the temperature data that the temperature of the second energy generator has reached or exceeded a temperature threshold value. The first power can then be caused to increase and the second power to decrease in response (such that the sum of the first and second powers remains constant).
Die Leistungsverteilung zwischen den Energieerzeugern kann somit dazu verwendet werden, die Temperaturen der Energieerzeuger unter einem bestimmten Temperatur-Schwellenwert zu halten. So können die Kühlanforderungen für das Bordnetz reduziert und somit die Energieeffizienz des Bordnetzes erhöht werden.The power distribution between the energy generators can thus be used to keep the temperatures of the energy generators below a specific temperature threshold value. In this way, the cooling requirements for the vehicle electrical system can be reduced and thus the energy efficiency of the vehicle electrical system can be increased.
Wie bereits oben dargelegt können der erste Energieerzeuger und/oder der zweite Energieerzeuger jeweils einen Gleichspannungswandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie aus einem anderen Bordnetz des Fahrzeugs, insbesondere aus einem Hochvolt-Bordnetz, in das Bordnetz zu transferieren.As already explained above, the first energy generator and/or the second energy generator can each include a DC-DC converter that is set up to transfer electrical energy from another vehicle electrical system, in particular from a high-voltage vehicle electrical system, to the vehicle electrical system.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.According to a further aspect, an on-board electrical system for a vehicle is described, which includes the device described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das das in diesem Dokument beschriebene Bordnetz umfasst.According to a further aspect, a (road) motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the device described in this document and/or the vehicle electrical system described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben von mehreren Energieerzeugern zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem elektrischen Bordnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Das Verfahren umfasst das Betreiben eines ersten Energieerzeugers, um die Ist-Spannung an einem Referenzpunkt des Bordnetzes auf einen Spannungs-Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben eines zweiten Energieerzeugers in Abhängigkeit von einer Auslastung des ersten Energieerzeugers, um elektrische Energie in dem Bordnetz bereitzustellen.According to a further aspect, a method for operating a plurality of energy generators for providing electrical energy in an on-board electrical system of a vehicle is described. The method includes the operation of a first energy generator in order to set, in particular to regulate, the actual voltage at a reference point of the vehicle electrical system to a voltage setpoint. The method also includes the operation of a second energy generator depending on a utilization of the first energy generator to provide electrical energy in the vehicle electrical system.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a software (SW) program is described. The SW program can be set up to run on a processor (e.g. on a vehicle's control unit), and thereby the in the carry out the procedures described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a storage medium is described. The storage medium can comprise a SW program which is set up to be executed on a processor and thereby to carry out the method described in this document.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können j egliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.It should be noted that the methods, devices and systems described in this document can be used both alone and in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices and systems described in this document can be combined with one another in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined with one another in many different ways. Furthermore, features listed in brackets are to be understood as optional features.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem elektrischen Gesamt-Bordnetz; -
2 ein beispielhaftes elektrisches Gesamt-Bordnetz eines Fahrzeugs; -
3 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Auslastung eines ersten Energieerzeugers eines Bordnetzes; und -
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb von unterschiedlichen Energieerzeugern zur Versorgung eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes.
-
1 an exemplary vehicle with an overall electrical system; -
2 an exemplary overall electrical system of a vehicle; -
3 an exemplary time course of the utilization of a first energy generator of a vehicle electrical system; and -
4 a flowchart of an exemplary method for operating different energy generators to supply an electrical vehicle electrical system.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, eine möglichst effiziente und stabile elektrische Energieversorgung eines (Teil-) Bordnetzes eines Fahrzeugs zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang zeigt
Das erste Bordnetz 210 kann einen ersten Energiespeicher 211 (z.B. einen Lithium-Ionen basierten Speicher) und ein oder mehrere erste elektrische Verbraucher 214 (z.B. eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs 100) umfassen. Das zweite Bordnetz 220 kann einen zweiten Energiespeicher 221 (z.B. eine Bleibatterie oder einen Lithium-Ionen basierten Speicher) und eine Vielzahl von zweiten elektrischen Verbrauchern 224 umfassen. Beispielhafte zweite elektrische Verbraucher 224 sind: ein oder mehrere Leuchtelemente (z.B. Scheinwerfer, Rückleuchten, Innenraumbeleuchtung, etc.), ein Infotainmentsystem, ein Klimasystem, eine Sitzheizung, etc.The first vehicle
Die elektrische Energie zum Betrieb des zweiten (Teil-) Bordnetzes 220 kann durch ein oder mehrere Energieerzeuger 201, 202, 223 bereitgestellt werden. Ein Energieerzeuger 201, 202, 223 kann dabei einen Gleichspannungswandler 201, 202 umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie aus dem ersten Bordnetz 210 in das zweite Bordnetz 220 zu transferieren. Alternativ oder ergänzend kann ein Energieerzeuger 201, 202, 223 einen Generator 223 umfassen, der durch einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs 100 und/oder durch die Räder des Fahrzeugs 100 angetrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen.The electrical energy for operating the second (partial) vehicle
Für einen stabilen und/oder energieeffizienten Betrieb des zweiten Bordnetzes 220 wird die Spannung an einem bestimmten Referenzpunkt des zweiten Bordnetzes 220 typischerweise auf einen bestimmten Sollwert eingestellt, insbesondere geregelt. Wenn mehrere Energieerzeuger 201, 202, 223 elektrische Energie in dem zweiten Bordnetz 220 bereitstellen, kann es jedoch zu Konflikten zwischen den unterschiedlichen Energieerzeugern 201, 202, 223 und damit zu Instabilitäten im zweiten Bordnetz 220 kommen, wenn in mehreren Energieerzeugern 201, 202, 223 gleichzeitig eine Spannungsregelung erfolgt. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die unterschiedlichen Energieerzeuger 201, 202, 223 an unterschiedlichen Punkten 241, 242, 243 elektrische Energie in das zweite Bordnetz 220 einspeisen und/oder wenn die unterschiedlichen Energieerzeuger 201, 202, 223 in Abhängigkeit von der j eweiligen Ist-Spannung 231 an unterschiedlichen Punkten 241, 242, 243 im zweiten Bordnetz 220 eingestellt, insbesondere geregelt, werden.For stable and/or energy-efficient operation of second vehicle
Eine (Steuer-) Vorrichtung 200 des Bordnetzes 110 und/oder des Fahrzeugs 100 kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass durch einen ersten (ggf. Haupt-) Energieerzeuger 201 derart elektrische Energie in dem zweiten Bordnetz 220 bereitgestellt wird, dass die Ist-Spannung 231 an einem bestimmten ersten Referenzpunkt 241 auf einen bestimmten Sollwert eingestellt wird. Insbesondere kann der erste Energieerzeuger 201 zur Spannungsregelung an einem ersten Referenzpunkt 241 verwendet werden. Der erste Referenzpunkt 241 kann z.B. in unmittelbarer Nähe (z.B. zwischen den Klemmen) des zweiten elektrischen Energiespeichers 221 angeordnet sein (weil der zweite Energiespeicher typischerweise bereits eine Spannungs-Messeinheit aufweist).A (control)
Die ein oder mehreren anderen (zweiten) Energieerzeuger 202, 223 können ausgebildet sein, ohne Spannungsregelung elektrische Energie in dem zweiten Bordnetz 220 bereitzustellen. Dabei kann ggf. selektiv elektrische Energie durch die ein oder mehreren anderen Energieerzeuger 202, 223 bereitgestellt werden, z.B. wenn erkannt wird, dass die Auslastung des ersten Energieerzeugers 201 einen bestimmten Auslastungs-Schwellenwert erreicht oder überschreitet.The one or more other (second)
Ein anderer Energieerzeuger 202, 223 kann dann elektrische Energie mit einer Stromregelung bereitstellen, bei der der durch den anderen Energieerzeuger 202, 223 bereitstellte Ist-Strom 232 auf einen bestimmten Sollwert eingestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Leistungsregelung erfolgen, bei der die von dem anderen Energieerzeuger 202, 223 bereitgestellte elektrische Leistung auf einen bestimmten Sollwert eingestellt wird.Another
Es kann somit ein erster Erzeuger (Haupterzeuger) 201 über eine Spannungsvorgabe gesteuert (insbesondere geregelt) werden. Dies ermöglicht die Verwendung von bestehenden Regelalgorithmen und eine stabile Einstellung der Spannung in dem zweiten Bordnetz 220. Ferner ermöglicht dies einen modularen Aufbau des zweiten Bordnetzes 220 (z.B. für unterschiedliche Ausstattungsvarianten des Fahrzeugs 100).A first generator (main generator) 201 can thus be controlled (in particular regulated) via a voltage specification. This enables the use of existing control algorithms and a stable adjustment of the voltage in the second vehicle
Die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 können in Abhängigkeit von der Auslastung des Haupterzeugers 201, z.B. über die Vorgabe eines Sollstromes, gesteuert bzw. geregelt werden. Somit liefert der Haupterzeuger 201 die Stabilität der Spannungslage in dem zweiten Bordnetz 220. Bei erhöhten Auslastungen ermöglichen die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 die Bereitstellung von zusätzlicher elektrischer Leistung. Spannungsversätze durch Leitungen zwischen unterschiedlichen Referenzpunkten 241, 242, 243 oder bauliche Toleranzen der Energieerzeuger 201, 202, 223 haben dann keinen Einfluss mehr auf die Stabilität und die Energieeffizienz des zweiten Bordnetzes 220.The one or more
Beispielsweise kann im zweiten Bordnetz 220 als Vorgabe die Spannung 231 an dem Referenzpunkt 242 des zweiten Energiespeichers 221 auf eine bestimmten Sollspannung (z.B. 14V) eingestellt werden, um eine dauerhafte Ladung des elektrischen Energiespeichers 221 zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann dem Haupterzeuger 201 eine passende Sollspannung vorgegeben werden, die etwaige Spannungsabfälle an den Leitungen des Bordnetzes 220 (zwischen dem Haupterzeuger 201 und dem Referenzpunkt 242) kompensiert.For example, the
Ferner kann die Auslastung des Haupterzeugers 201 überwacht werden. Sobald die Auslastung des Haupterzeugers 201 einen bestimmten Auslastungs-Schwellenwert erreicht oder überschreitet, können ein oder mehrere weitere Erzeuger 202, 223 betrieben werden, um zusätzlich elektrische Energie in dem Bordnetz 220 bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann z.B. jeweils ein Sollstrom vorgegeben werden, der in das Bordnetz 220 eingespeist werden soll. Als Folge daraus kann der Haupterzeuger 201 die von dem Haupterzeuger 201 bereitgestellte elektrische Leistung reduzieren, um die Spannung an dem vorgegebenen Sollwert zu halten. Die Mehrzahl von Erzeugern 201, 202, 223 kann damit in einem gewünschten idealen Auslastungszustand gehalten werden, ohne dass Bauteiltoleranzen oder weitere Spannungsabfälle zwischen den weiteren Erzeugern 201, 202, 223 und dem Energiespeicher 221 berücksichtigt und/oder kompensiert werden müssen.Furthermore, the utilization of the
Die ein oder mehreren weiteren Energieerzeuger 202, 223 können ggf. erst dann zugeschaltet werden, wenn die ein oder mehreren Energieerzeuger 202, 223 jeweils eine bestimmte Mindestleistung liefern können, durch die ein relativ guter Wirkungsgrad der ein oder mehreren weiteren Energieerzeuger 202, 223 ermöglicht wird. Ein Gleichspannungswandler 202 weist typischerweise bei einer relativ niedrigen Leistung einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf. Die Aktivierung eines Energieerzeugers 202, 223 kann somit erfolgen, sobald der Energieerzeuger 202, 223 mit einem Wirkungsgrad betrieben werden kann, der gleich wie oder größer als ein bestimmter Mindestwirkungsgrad ist.The one or more
Die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 können eine gestufte Stromvorgabe zur Bereitstellung von elektrischer Energie erhalten. Bei der Aktivierungsschwelle können von einem Erzeuger 202, 223 z.B. 10A angefordert werden, was zur Folge hat, dass die Auslastung des Haupterzeugers 201 sinkt. Wenn die Auslastung des Haupterzeugers 201 weiter ansteigt, können beim erneuten Erreichen der Auslastungsschwelle 20A angefordert und so weiter. The one or more
Wenn die Auslastung des Haupterzeugers 201 sinkt, so können in analoger Weise der von einem weiteren Erzeuger 202, 223 bereitgestellte Strom bzw. die von einem weiteren Erzeuger 202, 223 bereitgestellte Leistung schrittweise reduziert werden.If the utilization of the
In dem in
In dem dargestellten Beispiel fällt der Leistungsbedarf in dem Bordnetz 220 daraufhin ab, sodass die Auslastung 310 des Haupterzeugers 201 an dem dritten Zeitpunkt 303 den unteren Auslastungs-Schwellenwert 312 erreicht, was dazu führt, dass die bzw. der von dem weiteren Erzeuger 202, 223 angeforderte Leistung bzw. Strom 232 um den Mengenwert reduziert werden. Daraufhin steigt die Auslastung 310 des Haupterzeugers 201 um den Auslastungswert 321 an, erreicht jedoch in dem dargestellten Beispiel bis zu dem vierten Zeitpunkt 304 wieder den unteren Auslastungs-Schwellenwert 312, was zu einer weiteren Reduzierung der bzw. des von dem weiteren Erzeuger 202, 223 angeforderten Leistung bzw. Stroms führt (insbesondere kann dies zu einer Deaktivierung des weiteren Erzeugers 202, 223 führen).In the example shown, the power requirement in the vehicle
Durch eine derartige schrittweise Anpassung der bzw. des von einem weiteren Erzeugers 202, 223 angeforderten Leistung bzw. Stroms kann ein besonders effizienter und stabiler Betrieb des Bordnetzes 220 ermöglicht werden. Ferner kann so auf eine Abstimmung eines Reglers verzichtet werden.A particularly efficient and stable operation of the vehicle
Die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 können eine geregelte Stromvorgabe erhalten, bei der die Auslastung 310 des Haupterzeugers 201 auf einem definierten Wert gehalten wird. Bevorzugt wird dieser Regelpunkt auf den optimalen Wirkungsgrad des Haupterzeugers 201 gelegt. Die Auslastung 310 des Haupterzeugers 201 kann somit als Regelgröße zum Betrieb der ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 verwendet werden. Insbesondere können die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 derart betrieben werden, dass die Ist-Auslastung 310 des Haupterzeugers 201 einen bestimmten Auslastungs-Sollwert aufweist. Dabei kann der Sollwert der Auslastung 310 von dem optimalen Wirkungsgrad des Haupterzeugers 201 abhängen. Insbesondere kann der Sollwert der Auslastung 310 derart sein, dass der Haupterzeuger 201 bei einer dem Sollwert entsprechenden Auslastung 310 den optimalen Wirkungsgrad aufweist. So kann ein besonders effizienter Betrieb des Bordnetzes 220 ermöglicht werden.The one or more
Die Robustheit des Bordnetzes 220 gegen Spannungseinbrüche bei Leistungsspitzen kann insbesondere dadurch erhöht werden, dass den ein oder mehreren weiteren Erzeugern 202, 223 eine untere Grenzspannung der Spannung 231 im Bordnetz 220 vorgegeben wird, bei der die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 autonom elektrische Energie in das zweite Bordnetz 220 einspeisen, ggf. unabhängig von einer Stromvorgabe und/oder von einer Auslastung 310 des Haupterzeugers 201.The robustness of vehicle
Die ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 können somit eingerichtet sein, die Ist-Spannung 231 in dem Bordnetz 220 zu überwachen. Wenn erkannt wird, dass die Ist-Spannung 231 einen Spannungs-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, kann automatisch und/oder autonom der Betrieb der ein oder mehreren weiteren Erzeuger 202, 223 aufgenommen werden (ggf. ohne Strom- und/oder Leistungsregelung), um elektrische Energie in dem Bordnetz 220 bereitzustellen. So kann ein besonders stabiler Betrieb des Bordnetzes 220 ermöglicht werden.The one or more
Bei der Leistungsverteilung zwischen den unterschiedlichen Erzeugern 201, 202, 223 kann die Temperatur der einzelnen Erzeuger 201, 202, 223 berücksichtigt werden. Wenn die Temperatur eines Erzeugers 201, 202, 223 einen bestimmten Temperatur-Schwellenwert erreicht oder überschreitet, kann die von diesem Erzeuger 201, 202, 223 bereitgestellte Leistung reduziert, und die von den ein oder mehreren anderen Erzeugern 201. 202, 223 bereitgestellte Leistung entsprechend erhöht werden. Durch die Umverteilung der Leistungsanforderungen auf unterschiedliche Erzeuger 201, 202, 223 kann eine besonders effiziente Kühlung der Erzeuger 201, 202, 223 ermöglicht werden. Insbesondere kann ein Kühlsystem für die Erzeuger 201, 202, 223 mit einer reduzierten Kühlleistung und somit mit reduzierten Kosten ausgelegt werden.The temperature of the
Das Verfahren 400 umfasst das Betreiben 401 eines ersten Energieerzeugers 201, um die Ist-Spannung 231 an einem Referenzpunkt 242 des Bordnetzes 220 (z.B. an den Klemmen eines Energiespeichers 221 des Bordnetzes 220) auf einen Spannungs-Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln. Der erste Energieerzeuger 201 kann somit mit einer Spannungsregelung betrieben werden, um die Ist-Spannung 231 an dem Referenzpunkt 242 auf den Spannungs-Sollwert zu regeln. So kann in effizienter Weise eine stabile Bordnetzspannung bereitgestellt werden.The
Das Verfahren 400 umfasst ferner das Betreiben 402 eines zweiten Energieerzeugers 202, 223 in Abhängigkeit von der Auslastung 310 des ersten Energieerzeugers 201, um (zusätzliche) elektrische Energie in dem Bordnetz 220 bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann (wiederholt, an einer Sequenz von Zeitpunkten) die Ist-Auslastung 310 des ersten Energieerzeugers 201 ermittelt werden. Der Betrieb des zweiten Energieerzeugers 202, 223 kann dann jeweils in Abhängigkeit von der j eweils ermittelten Ist-Auslastung 310 des ersten Energieerzeugers 201 angepasst werden, insbesondere um die Ist-Auslastung 310 auf einen bestimmten Auslastungs-Sollwert einzustellen. So kann eine besonders energieeffiziente Bereitstellung von elektrischer Energie bewirkt werden.The
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the exemplary embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are only intended to illustrate the principle of the proposed methods, devices and systems by way of example.
Claims (12)
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2021
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