DE102021205855A1 - electrical system - Google Patents
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Abstract
Bordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen, wobei in mindestens einem der Teilbordnetze eine Kondensator-Matrix (43) und mindestens ein Verbraucher (14, 22, 34, 42) vorgesehen sind, wobei die Kondensator-Matrix (43) wenigsten einen Kondensator und eine Zwischenkreiskapazität wenigstens eines von dem mindestens einen Verbraucher (14, 22, 34, 42) umfasst.Vehicle electrical system with at least two vehicle electrical systems, with a capacitor matrix (43) and at least one consumer (14, 22, 34, 42) being provided in at least one of the vehicle electrical systems, with the capacitor matrix (43) having at least one capacitor and at least one intermediate circuit capacitance one of the at least one consumer (14, 22, 34, 42).
Description
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Bordnetzes.The invention relates to an on-board network and a method for operating such an on-board network.
Stand der TechnikState of the art
Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Man unterscheidet dabei zwischen dem Energiebordnetz und dem Kommunikationsbordnetz. Bordnetze können dabei unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen. So sind Bordnetze mit Hochvolt- und Niedervolt-Teilbordnetzen bekannt.In automotive use, an on-board network is to be understood as the entirety of all electrical components in a motor vehicle. This includes both electrical consumers and supply sources, such as batteries. A distinction is made between the on-board power supply and the on-board communication supply. Vehicle electrical systems can have different voltage levels. Thus, vehicle electrical systems with high-voltage and low-voltage vehicle electrical systems are known.
Bei bekannten Bordnetzen wird regelmäßig eine Niedervolt-Batterie für das Niedervolt-Fahrzeugenergiebordnetz eingesetzt. Dies wird sogar bei elektrischen Fahrzeugen, die mit großen Hochvolt-Batterienpacks bzw. -paketen ausgestattet sind, vorgenommen. Auch wegen des Alterungseffekts und der Temperatursensitivität müssen die Niedervolt-Batterien, die für sicherheitsrelevante Anwendungsfälle, bspw. für ein automatisiertes Fahren, vorgesehen sind, im Durchschnitt alle zwei Jahre ausgetauscht werden. Dies führt zu zusätzlichen Kosten und reduziert die Zuverlässigkeit der Energieversorgung für sicherheitsrelevante Verbraucher (SR-Verbraucher), wie bspw. die Lenkung und die Bremse.In known vehicle electrical systems, a low-voltage battery is regularly used for the low-voltage vehicle electrical system. This is done even on electric vehicles equipped with large high voltage battery packs. Also because of the aging effect and the temperature sensitivity, the low-voltage batteries, which are intended for safety-relevant applications, e.g. for automated driving, have to be replaced on average every two years. This leads to additional costs and reduces the reliability of the energy supply for safety-relevant consumers (SR consumers), such as the steering and the brakes.
Weiterhin ist zu beachten, dass wegen der Positionierung der Niedervolt-Batterien entlang der langen Energiepfade ein gewisser Spannungsabfall und Energieverbrauch auftreten können, was zu einer Reduzierung der Pufferfähigkeit der Niedervolt-Batterie sowie der Energieeffizienz führt.Furthermore, it should be noted that due to the positioning of the low-voltage batteries along the long energy paths, a certain voltage drop and energy consumption can occur, which leads to a reduction in the buffering capacity of the low-voltage battery and in energy efficiency.
Es sind bereits einige Verfahren bekannt, bei denen durch die Nutzung von sogenannten Superkondensatoren die Pufferfähigkeit erhöht und die dynamischen Leistungsspitzen eines Verbrauchers abgedeckt werden.Some methods are already known in which the use of so-called supercapacitors increases the buffering capacity and covers the dynamic power peaks of a consumer.
Aus der Druckschrift
Einige der bekannten Verfahren nutzen jeweils einen lokalen Speicher, um die Funktionsfähigkeit einer Komponente zu verbessern. Es wird jedoch immer eine zentrale Niedervolt-Batterie benötigt.Some of the known methods each use a local memory in order to improve the functionality of a component. However, a central low-voltage battery is always required.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Bordnetz nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.Against this background, a vehicle electrical system according to claim 1 and a method with the features of claim 8 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and the description.
Das vorgestellte Bordnetz umfasst mindestens zwei Teilbordnetze, wobei in mindestens einem der Teilbordnetze eine Kondensator-Matrix und mindestens ein Verbraucher vorgesehen sind, wobei die Kondensator-Matrix wenigsten einen Kondensator und eine Zwischenkreiskapazität wenigstens eines von dem mindestens einen Verbraucher umfasst.The vehicle electrical system presented comprises at least two vehicle electrical systems, with a capacitor matrix and at least one consumer being provided in at least one of the vehicle electrical systems, the capacitor matrix comprising at least one capacitor and an intermediate circuit capacitance of at least one of the at least one consumer.
In einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Kondensatoren als Doppelschichtkondensator ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform sind alle Kondensatoren der Kondensator-Matrix als Doppelschichtkondensatoren ausgebildet. Ein Doppelschichtkondensator (DLC: double-layer capacitor), der auch als elektrochemischer Doppelschichtkondensator (EDLC: Electrochemical duble-layer capacitor) bezeichnet wird, umfasst zwei sich gegenüberliegende leitfähige Schichten, die durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt sind.In one embodiment, at least one of the capacitors is designed as a double-layer capacitor. In a further embodiment, all of the capacitors in the capacitor matrix are in the form of double-layer capacitors. A double-layer capacitor (DLC), also known as an electrochemical double-layer capacitor (EDLC), comprises two opposing conductive layers separated by an insulating layer.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens einer der Kondensatoren als Superkondensator ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform sind alle Kondensatoren der Kondensator-Matrix als Superkondensatoren ausgebildet. Superkondensatoren, die auch als Supercaps bezeichnet werden, sind elektrochemische Kondensatoren und stellen eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren dar. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte können diese sehr schnell geladen und entladen werden. Superkondensatoren haben typischerweise kein Dielektrikum. Ihre Kapazitätswerte ergeben sich aus der Summe zweier Speicherprinzipien, nämlich der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in einer Doppelschichtkapazität und der elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie in einer Pseudokapazität.In yet another embodiment, at least one of the capacitors is in the form of a supercapacitor. In a further embodiment, all of the capacitors in the capacitor matrix are in the form of supercapacitors. Supercapacitors, also known as supercaps, are electrochemical capacitors and represent a further development of double-layer capacitors. Due to their high power density, they can be charged and discharged very quickly. Supercapacitors typically have no dielectric. Their capacitance values result from the sum of two storage principles, namely the static storage of electrical energy through charge separation in a double-layer capacitance and the electrochemical storage of electrical energy in a pseudo-capacitance.
Ein Zwischenkreis ist eine elektrische Einrichtung, die als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom- und Spannungsebene über Umrichter elektrisch koppelt. Die Zwischenkreiskapazität ist eine Kapazität im Zwischenkreis von Umrichtern, deren Aufgabe darin besteht, mehrere elektrische Netze miteinander auf einer gemeinsamen Spannungsebene miteinander zu koppeln.An intermediate circuit is an electrical device that, as an energy store, electrically couples several electrical networks at an intermediate current and voltage level via converters. The intermediate circuit capacitance is a capacitance in the intermediate circuit of converters, the task of which is to couple several electrical networks to one another on a common voltage level.
Das vorgestellte Verfahren, das die Kondensator-Matrix als Energiespeicher verwendet, ermöglicht ein Leistungsmanagement für ein Bordnetz, insbesondere für ein Energiebordnetz, mit skalierbaren verteilten Niedervolt-Speichern, wobei Niedervolt-Batterien ersetzt werden und eine Zwischenkreiskapazität genutzt wird.The method presented, which uses the capacitor matrix as an energy store, enables power management for an on-board network, esp especially for an on-board power supply system, with scalable, distributed low-voltage storage systems, with low-voltage batteries being replaced and an intermediate circuit capacity being used.
Somit können Nachteile in Verbindung mit einer zentralen Niedervolt-Batterie vermieden werden. Dabei werden Erkenntnisse aus der Zonentopologie, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, genutzt. Zonentopologie betrifft eine Verteilung von Funktionen auf Steuergeräte nach optimalem räumlichen Einbauort, anstelle einer Verteilung von Funktionen auf diese Funktionsart spezifizierte Steuergeräte, bspw. eine Zuteilung der Ansteuerung Abblendlicht links vorne auf ein Steuergerät links vorne anstatt auf einen zentralen Bodycomputer. Weiterhin werden Niedervolt-Batterien durch insbesondere dezentrale Superkondensatoren ersetzt. Damit verwendete Steuerungsverfahren dienen der Optimierung des Leistungsmanagements.In this way, disadvantages associated with a central low-voltage battery can be avoided. Findings from the zone topology, especially in electrically powered vehicles, are used. Zone topology relates to a distribution of functions to control units based on the optimum spatial installation location, instead of a distribution of functions to control units specified for this type of function, for example allocation of the activation of the left front low beam to a control unit on the left front instead of to a central body computer. Furthermore, low-voltage batteries are being replaced by decentralized supercapacitors in particular. Control methods used in this way serve to optimize the power management.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es, eine Niedervolt-Batterie zu minimieren oder gar vollständig auf diese zu verzichten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Energiezufluss über Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler von Hochvolt-Batterien zum Niedervolt-Bordnetz übertragen wird und die reduzierte Pufferfähigkeit wegen der fehlenden Niedervolt-Batterien über eine skalierbare Superkondensator-Matrix sowie ein prädiktives Leistungsmanagement zur Steuerung des einzelnen Superkondensatoren gelöst wird. Die Superkondensator-Matrix kann sowohl aus DLC-Modulen als auch aus den in den derzeit eingesetzten Verbrauchern, die elektrische Maschinen enthalten, vorhandenen Zwischenkreiskapazitäten bestehen. Auf diese Weise können die Zwischenkreiskapazitäten der nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher (QM-Verbraucher) auch für eine Spannungsstabilisierung genutzt werden.The process presented makes it possible to minimize a low-voltage battery or even do without it completely. This is achieved by transferring the energy flow from high-voltage batteries to the low-voltage vehicle electrical system via high-voltage/low-voltage converters and solving the reduced buffering capacity due to the lack of low-voltage batteries via a scalable supercapacitor matrix and predictive power management to control the individual supercapacitors becomes. The supercapacitor matrix can consist both of DLC modules and of the intermediate circuit capacitances that are present in the loads currently used that contain electrical machines. In this way, the intermediate circuit capacities of the non-safety-related consumers (QM consumers) can also be used for voltage stabilization.
Darüber hinaus kann die Superkondensator-Matrix über eine einfache Leistungselektronik auf eine beliebige Spannung eingestellt werden, um die positiven und negativen Leistungsspitzen abzudecken.In addition, the supercapacitor matrix can be set to any voltage via simple power electronics to cover the positive and negative power peaks.
Vorteile des vorgestellten Verfahrens sind, zumindest in einigen der Ausführungen:
- Durch verteilte Lokalisierung der Niedervolt-Superkondensatoren kann die Niedervolt-Batterie entfallen.
- The low-voltage battery can be omitted due to the distributed localization of the low-voltage supercapacitors.
Verteilte Niedervolt-Superkondensatoren können nahe an jeweiligen Komponenten positioniert werden, damit ein langer Energieübertragungspfad aus der Niedervolt-Batterie sowie der hohe Spannungsabfall auf dem Pfad vermieden werden. Gleichzeitig kann die Lebensdauer des Kabelbaums erhöht werden.Distributed low-voltage supercapacitors can be placed close to respective components to avoid a long energy transfer path from the low-voltage battery and the high voltage drop along the path. At the same time, the service life of the wire harness can be increased.
Superkondensatoren haben eine deutlich höhere Lebensdauer als Niedervolt-Bleibatterien. Deshalb ist keine regelmäßige Wartung erforderlich. Sie können theoretisch in einer optimalen Position, z. B. tief in das Fahrzeug, eingebaut werden.Supercapacitors have a significantly longer service life than low-voltage lead-acid batteries. Therefore, no regular maintenance is required. They can theoretically be in an optimal position, e.g. B. deep into the vehicle.
Zwischenkreiskondensatoren können in die Superkondensator-Matrix integriert und weiterhin mit elektrischen Motoren der Verbraucher entkoppelt werden.Intermediate circuit capacitors can be integrated into the supercapacitor matrix and further decoupled from the consumers' electrical motors.
Die Zwischenkreiskapazität der QM-Verbraucher kann zur Spannungsstabilisierung genutzt werden.The intermediate circuit capacity of the QM consumers can be used for voltage stabilization.
Ein prädiktives Laden oder Entladen sowie eine dynamische Koordinierung der gespeicherten Energie der einzelnen Superkondensatoren einschließlich der Zwischenkreiskapazität sind möglich.Predictive charging or discharging as well as dynamic coordination of the stored energy of the individual supercapacitors including the intermediate circuit capacitance are possible.
Eine optimale Auswahl der benutzen Superkondensatoren für eine Spitzenleistung kann vorgenommen werden. Wegen der hohen Komplexität des Bordnetzverhaltens können Multi-Objective Evolutionary Algorithm (MOEA) oder ein Reinforcement Learning benutzt werden. Dies ist eine Methode des Machine Learning. Ziel ist eine adaptive Bedienstrategie der Kondensator-Matrix, da die vielen möglichen Varianten, die in Fahrzeugen auftreten können, vorher nicht bekannt sind. Die verwendeten Algorithmen können Schritt für Schritt verbessert werden.An optimal selection of the supercapacitors used for peak performance can be made. Due to the high complexity of the vehicle electrical system behavior, Multi-Objective Evolutionary Algorithm (MOEA) or reinforcement learning can be used. This is a machine learning method. The aim is an adaptive control strategy for the capacitor matrix, since the many possible variants that can occur in vehicles are not known beforehand. The algorithms used can be improved step by step.
Die Lebensdauer des Kabelbaums kann erhöht werden, da lange Übertragungspfade hoher Ströme vermieden werden.The service life of the wire harness can be increased because long transmission paths of high currents are avoided.
Wegen der reduzierten dynamischen Leistungsspitzen kann die Lebensdauer der Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler erhöht und Anforderungen an diese reduziert werden. Auf diese Weise können auch Kosten eingespart werden.Due to the reduced dynamic power peaks, the service life of the high-voltage/low-voltage voltage converter can be increased and the demands on them reduced. In this way, costs can also be saved.
Die Superkondensator-Matrix kann skalierbar sein.The supercapacitor matrix can be scalable.
Eine Niedervolt-Batterie kann durch Nutzung verteilter Kapazitäten zur Abdeckung von Spitzenleistungsbedarfen entfallen.A low-voltage battery can be omitted by using distributed capacities to cover peak power requirements.
Durch sinnvolle Positionierung der Kapazitäten kann der Energieverbrauch reduziert und die Lebensdauer des Kabelbaums erhöht werden.Sensible positioning of the capacitances can reduce energy consumption and increase the service life of the cable harness.
Der Zwischenkreiskapazität kann zum Leistungsmanagement durch Entkopplung von Motoren genutzt werden.The intermediate circuit capacity can be used for power management by decoupling motors.
Der Ladezustand der verteilen Superkondensatoren kann durch die integrierte einfache Leitungselektronik gesteuert werden. Hierzu gilt:
- Superkondensatoren können auf einen höheren Wert als die Bordnetznennspannung vorgeladen werden. Ggf. können vorgeladene Kondensatoren als Energievorhalt für das Bordnetz abgetrennt und bei Bedarf zugeschaltet werden.
- Ein Kondensator kann vorab auf einen niedrigeren Wert als die Bordnetznennspannung entladen werden. Ggf. können vorgeladene Kondensatoren als Energiesenke für das Bordnetz abgetrennt und bei Bedarf zugeschaltet werden.
- Supercapacitors can be pre-charged to a value higher than the nominal vehicle voltage. If necessary, pre-charged capacitors can be disconnected as energy reserve for the on-board network and switched on if necessary.
- A capacitor can be discharged in advance to a value lower than the nominal voltage of the vehicle electrical system. If necessary, pre-charged capacitors can be disconnected as an energy sink for the vehicle electrical system and switched on if necessary.
Eine Koordination der verteilten Kapazitäten kann durch ein zentrales Leistungsmanagementsystem in einem zentralen Steuergerät mit Optimierungsalgorithmen zur automatischen Auswahl der Energieübertragungspfade aus einzelnen Superkondensatoren vorgenommen werden. Die Funktion muss eine Übersicht über den Zustand der Superkondensatoren sowie des Kabelbaums haben. Je nach Spitzenleistungsbedarfen kann der jeweilige Superkondensator zugeschaltet werden. Das Konzept von „Digital Twin“ kann hier genutzt werden. Dies ist ein Simulationsmodell des zu regelnden Systems, bei dem die Parameter so konfiguriert und optimiert sind, dass es exakt eine reale Implementierung nachbildet. Mit einem Digital Twin Simulationsmodell kann z. B. durch Simulation das Verhalten eines Systems bei einer bestimmten Ansteuerung vorhergesagt werden.The distributed capacitances can be coordinated by a central power management system in a central control unit with optimization algorithms for automatically selecting the energy transfer paths from individual supercapacitors. The function must have an overview of the condition of the supercapacitors as well as the wiring harness. Depending on the peak power requirements, the respective supercapacitor can be switched on. The concept of "digital twin" can be used here. This is a simulation model of the system to be controlled, with parameters configured and optimized to exactly replicate a real implementation. With a digital twin simulation model, e.g. B. the behavior of a system with a specific control can be predicted by simulation.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt in zwei Blockschaltbildern das Ersetzen einer Niedervolt-Batterie durch eine Superkondensator-Matrix.1 shows the replacement of a low-voltage battery with a supercapacitor matrix in two block diagrams. -
2 zeigt in zwei Blockschaltbildern Superkondensatoren mit Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller.2 shows supercapacitors with step-down converter and step-up converter in two block diagrams. -
3 zeigt verteilte Supertkondensatoren in einer Zonenarchitektur.3 shows distributed supercapacitors in a zone architecture. -
4 zeigt in drei Graphen Leistungsdiagramme.4 shows performance diagrams in three graphs. -
5 zeigt in einem Ablaufdiagramm eine Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens.5 shows an embodiment of the presented method in a flow chart. -
6 zeigt in einem Graphen ein Steuerungsverfahren.6 FIG. 12 shows a control method in a graph.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically on the basis of embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.
Die dem vorgestellten Verfahren zugrundeliegende Idee sieht nunmehr vor, die zentrale Niedervolt-Batterie 24 durch Superkondensatoren zu ersetzen, wie dies auf der rechten Seite dargestellt ist.The idea on which the method presented is based now provides for replacing the central low-
Die rechte Seite zeigt ein Niedervolt-Bordnetz 30 mit einem Gleichspannungswandler 32, einem QM-Verbraucher 34, bspw. einem Motorkühllüfter oder einem Scheibenwischer, mit einer Leistungselektronik 38, einem Schalter 39 und einem elektrischen Motor 40. Das Niedervolt-Bordnetz 30 umfasst weiterhin einen sicherheitsrelevanten (SR) Verbraucher 42 sowie eine Superkondensator-Matrix 43 mit einem ersten Superkondensator 44, einem zweiten Superkondensator 46 und einem dritten Superkondensator 48. Dem ersten Superkondensator 44 ist ein Tiefsetzsteller 50 zugeordnet. Dem dritten Superkondensator 48 ist ein Hochsetzsteller 52 zugeordnet.The right-hand side shows a low-voltage vehicle
Es ist somit vorgesehen, die zentrale Niedervolt-Batterie 24 durch die Superkondensatoren 44, 46, 48 bzw. eine Superkondensator-Matrix 42 zu ersetzen. Die Superkondensatoren 44, 46, 48 können dezentral positioniert werden, z. B. in der Nähe von Komponenten des Bordnetzes 30.Provision is therefore made to replace the central low-
Wegen der deutlich höheren Lebensdauer und Ladezyklen der Superkondensatoren 44, 46, 48 im Vergleich zu der Niedervolt-Batterie 24 müssen die Superkondensatoren 44, 46, 48 über die Lebensdauer des Fahrzeugs nicht ausgetauscht werden. Deswegen können sie theoretisch in beliebigen Positionen statt einer zugänglichen Position eingerichtet werden. Solche verteilten Superkondensatoren können die Zwischenkreiskondensatoren der Komponenten durch Spezifikation ersetzen. Die Gesamtheit aller verteilen Superkondensatoren 44, 46, 48 wird als Superkondensator-Matrix 42 bezeichnet.Because of the significantly longer service life and charging cycles of the
Die Superkondensator-Matrix 42 weist zwei Typen von Kapazitäten auf:
- Eine Kapazität zum Erfüllen der Pufferfähigkeit der Niedervolt-Batterie. Dafür kann ein Superkondensator verwendet werden. Mit der integrierten Leistungselektronik werden die Spannung und Ladezustände gesteuert.
- Eine Kapazität, die der Zwischenkreiskapazität eines DC/AC-Wandlers (Inverter) oder eines DC/DC-Wandlers (Konverter) in Komponenten wie Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler, EPS, Motorkühler entspricht. Solche Kapazitäten können nicht vollständig steuerbar gemacht werden, weil immer eine gewisse Grundkapazität zum Betrieb der Komponenten benötigt wird. Dieser Typ der Kapazität kann jedoch vom Verbraucher entkoppelt gesteuert werden. Im normalen Fall wird nur ein Teil einer solchen Kapazität für den Betrieb benötigt. Der restliche Teil kann die Spannungsstabilität fördern. So kann bspw. die Zwischenkreiskapazität der Scheibenwischer für den Fall, dass es nicht regnet, vollständig genutzt werden.
- A capacity to meet the buffering capability of the low-voltage battery. A supercapacitor can be used for this. With the integrated power electronics, the voltage and charging status are controlled.
- A capacitance that corresponds to the intermediate circuit capacitance of a DC/AC converter (inverter) or a DC/DC converter (converter) in components such as high-voltage/low-voltage voltage converters, EPS, engine coolers. Such capacities cannot be made completely controllable because a certain basic capacity is always required to operate the components. However, this type of capacitance can be controlled independently from the consumer. In the normal case, only part of such a capacity is required for operation. The remaining part can promote tension stability. For example, the intermediate circuit capacity of the windscreen wipers can be fully used if it is not raining.
Auf der linken Seite sind zusätzlich Klemme T30 102, Klemme T31104, ein erster Schalter S1106, ein zweiter Schalter S2 108, in diesem Fall ein MOSFET, und eine Induktivität 110 gezeigt. Auf der rechten Seite sind zusätzlich Klemme T30 122, Klemme T31 124, ein erster Schalter S1 126, ein zweiter Schalter S2 128, in diesem Fall ein MOSFET, und eine Induktivität 130 gezeigt.
Zu beachten ist, dass der Superkondensator 100 mit TSS vor einer prädiktiven Leistungsrückspeisung oder einem Load dump durch Taktung der Schalter S1 106 und S2 108 vorab auf einen niedrigen Spannungswert entladen wird. Beim Auftritt der Leistungsrückspeisung werden S1 106 ein- und S2 108 ausgeschaltet, um die Leistung aufzunehmen. Nach der Rückspeisung werden S1 106 und S2 108 wieder getaktet, um den Superkondensator 100 zu entladen.Note that the
Der Superkondensator 120 mit HSS wird vor einem prädiktiven Leistungsverbrauch durch Taktung von S1 126 und S2 128 vorab auf einen höheren Spannungswert aufgeladen. Beim Auftritt der Leistungsspitze wird S2 128 ein- und S1 126 ausgeschaltet, um die Leistung abzugeben. Nach der Leistungsabgabe wird der Superkondensator 120 wieder durch Taktung von S1 126 und S2 128 aufgeladen.The HSS supercapacitor 120 is pre-charged to a higher voltage prior to predictive power consumption by clocking
Auf der rechten Seite der
Zu berücksichtigen ist, dass die Superkondensator-Matrix je nach konkreten Topologien und Leistungsbedarfen verteilt positioniert werden kann. Die Größe und Nummer der Superkondensatoren können in Abhängigkeit von unterschiedlichen Fahrzeugen skaliert werden. Je nach Leistungsbedarf sowie der aktuell zur Verfügung stehenden Leistung von Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler und Superkondensatoren kann durch eine Multiobjektive-Optimierung entschieden werden, welche Superkondensatoren eingeschaltet oder ob QM-Verbraucher degradiert werden sollen. Wegen der hohen Komplexität des Bordnetzverhaltens kann ein Multi-Objective Evolutionary Algorithmus (MOEA) oder ein Reinforcement Learning verwendet werden.It should be noted that the supercapacitor matrix can be positioned in a distributed manner depending on specific topologies and power requirements. The size and number of supercapacitors can be scaled depending on different vehicles. Depending on the power requirement and the power currently available from the high-voltage/low-voltage voltage converter and supercapacitors, multi-lens optimization can be used to decide which supercapacitors should be switched on or whether QM consumers should be downgraded. A multi-objective evolutionary algorithm (MOEA) or reinforcement learning can be used due to the high complexity of the vehicle electrical system behavior.
Zur Steuerung des einzelnen Superkondensators können drei Typen der Schaltungen benutzt werden:
- Superkondensatoren, die direkt an Bordnetz angeschlossen sind.
- Superkondensatoren mit integrierten Tiefsetzstellern (
3 TSS). - Superkondensatoren mit integrierten Hochsetzstellern (
3 HSS).
- Supercapacitors that are connected directly to the on-board network.
- Supercapacitors with integrated step-down converters (
3 TSS). - Supercapacitors with integrated boost converters (
3 HSS).
Die Betriebsverfahren sind:
- Die direkt am Bordnetz angeschlossenen Superkondensatoren stellen die für den Betrieb der Bordnetzkomponenten benötigte Grundkapazität zur Glättung der Leistungsspitzen im hohen Frequenzbereich zur Verfügung.
- Superkondensatoren mit TSS sind für zu hohe Stromrückspeisung oder Load dump gedacht. Sie können vorab auf einem niedrigeren Spannungsniveau, z. B. bis zur minimalen Betriebsspannung des Bordnetzes, entladen werden. Der genaue Spannungszielwert kann durch ein selbstlernendes Optimierungsverfahren des zentralen Leistungsmanagements dynamisch eingestellt werden. Wenn das zentrale Leistungsmanagement eine kommende oder gerade laufende Stromrückspeisung prädiziert oder bemerkt oder wenn eine optimierte Aufsuche der Energiepfade vorliegt, kann der rückgespeiste Strom zu bestimmten Superkondensatoren geführt werden.
- Superkondensatoren mit HSS sind für die zu hohe Stromaufnahme gedacht. Sie können vorab auf einem höheren Spannungsniveau, z. B. bis zur maximalen Betriebsspannung des Bordnetzes, aufgeladen werden. Der genaue Spannungszielwert kann durch ein selbstlernendes Optimierungsverfahren des zentralen Leistungsmanagements dynamisch eingestellt werden. Wenn das zentrale Leistungsmanagement eine kommende oder gerade laufende Stromaufnahme prädiktiert oder bemerkt oder wenn eine optimierte Aufsuche der Energiepfade vorliegt, kann der benötigte Strom aus bestimmten Superkondensatoren entnommen werden.
- The supercapacitors, which are connected directly to the vehicle electrical system, provide the basic capacity required for the operation of the vehicle electrical system components to smooth out the power peaks in the high frequency range.
- Supercapacitors with TSS are intended for excessive current feedback or load dump. They can be preloaded at a lower voltage level, e.g. B. to the minimum operating voltage of the vehicle electrical system, are discharged. The exact voltage target value can be set dynamically by a self-learning optimization process of the central power management. If the central power management predicts or notices an upcoming or ongoing current feedback or if there is an optimized search of the energy paths, the returned current can be routed to specific supercapacitors.
- Supercapacitors with HSS are intended for the excessive current consumption. You can advance at a higher voltage level, z. B. are charged up to the maximum operating voltage of the vehicle electrical system. The exact voltage target value can be set dynamically by a self-learning optimization process of the central power management. If the central power management predicts or notices an upcoming or current current consumption or if there is an optimized search for the energy paths, the required current can be taken from certain supercapacitors.
Ein Leistungsmanagement zur Koordinierung der verteilten Superkondensatoren kann wie folgt durchgeführt werden:
- Zielfunktionen für die Multizieleoptimierung:
- immer Einhaltung der Spannungsgrenzen der sicherheitsrelevanten Verbraucher,
- möglichst konstanter Strom aus Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler,
- möglichst kleine Spannungsschwankung im Bordnetz, möglichst wenige Einflüsse auf Komfortverbraucher bei Leistungsspitzen,
- möglichst geringe gleichmäßige Alterung des Kabelbaums, z. B. durch Minimierung der mittleren Quadratwurzel des Stroms, möglichst geringer Energieverbrauch im Kabelbaum. Dies kann auch die Alterung von Schmelzsicherungen betreffen.
- Eingangsgrößen für das Leistungsmanagement:
- Digital Twin zur Bildung des gesamten Bordnetzes Kabelwiderstand, Zustand, d. h. Ladung, Spannung, Innenwiderstand, des einzelnen Superkondensators, Zwischenkreiskapazität, wenn diese nicht in der Superkondensator-Matrix integriert ist, aktuelle Spannung und Strom der SR-Verbraucher, aktuelle Spannung und Strom der QM-Verbraucher, verfügbare Leistung der Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler.
- Prädiktiver Leistungsbedarf der SR-Verbraucher
- Stellgrößen für das Leistungsmanagement:
- Ausgangsspannung/-strom der Hochvolt/Niedervolt-Spannungswandler,
- Zu-/Abschaltung/Degradierung von QM-Verbrauchern, Spannungseinstellung/Zu-/Abschaltung der einzelnen Superkondensatoren,
- Regelung des Stroms der Superkondensatoren.
- Objective functions for multi-objective optimization:
- always compliance with the voltage limits of the safety-relevant consumers,
- as constant as possible current from high-voltage/low-voltage converter,
- the smallest possible voltage fluctuation in the on-board network, the fewest possible influences on comfort consumers at power peaks,
- the least possible uniform aging of the wiring harness, e.g. B. by minimizing the mean square root of the current, the lowest possible energy consumption in the cable harness. This can also affect the aging of fuses.
- Input variables for performance management:
- Digital twin to form the entire on-board network Cable resistance, condition, ie charge, voltage, internal resistance, of the individual supercapacitors, intermediate circuit capacitance if this is not integrated in the supercapacitor matrix, current voltage and current of the SR consumers, current voltage and current of the QM -Consumer, available power of the high-voltage/low-voltage converter.
- Predictive power demand of the SR consumers
- Variables for performance management:
- Output voltage/current of the high-voltage/low-voltage voltage converters,
- Connection/disconnection/degradation of QM consumers, voltage setting/connection/deactivation of the individual supercapacitors,
- Controlling the current of the supercapacitors.
In einem zweiten Graphen 220, an dessen Abszisse 222 die Zeit t und an dessen Ordinate 224 die Leistung P aufgetragen ist, zeigt eine Kurve 226 den Verlauf einer Leistungsdifferenz zwischen P_Last und P_DCDC im Zeitbereich.In a
In einem dritten Graphen 240, an dessen Abszisse 242 die Frequenz f und an dessen Ordinate 244 die Leistung P aufgetragen ist, zeigt eine erste Kurve 246 einen Leistungsbedarf im niedrigen Frequenzbereich und eine zweite Kurve 248 eine Leistungsdifferenz zwischen P_Last und P_DCDC im hohen Frequenzbereich. Der restliche Leistungsbedarf im niedrigen Frequenzbereich wird direkt von den an das Bordnetz angeschlossenen Superkondensatoren und entkoppelten Zwischenkreiskapazitäten abgedeckt. Der restliche Leistungbedarf im höheren Frequenzbereich wird von Superkondensatoren mit Hochsetzsteller durch Leistungsprädiktion und Vorladen abgefangen.In a
In einem Schritt 310 wird überprüft, ob eine prädiktive Leistungsrückspeisung erfolgt. Ist dies der Fall, so wird (Pfeil 312) in einem Schritt 314 überprüft, ob die prädiktive Leistungsrückspeisung <= der maximalen Leistungsaufnahme der Superkondensatoren mit TSS ist. Ist dies der Fall, so wird (Pfeil 316) in einem Schritt 318 eine Auswahl der benötigten Superkondensatoren mit TSS vorgenommen. Es erfolgt dann in einem Schritt 320 ein Einschalten der benötigten Superkondensatoren mit TSS. Dann erfolgt ein Sprung (Pfeil 322) zu Schritt 302.In a
Wird in Schritt 314 festgestellt, dass nicht gilt, dass die prädiktive Leistungsrückspeisung <= der maximalen Leistungsaufnahme der Superkondensatoren mit TSS ist, so wird (Pfeil 324) in einem Schritt 326 überprüft, ob die prädiktive Leistungsrückspeisung <= der Leistungsaufnahme der Superkondensatoren mit TSS und der QM-Verbraucher ist. Ist dies der Fall, so erfolgt (Pfeil 328) in Schritt 330 eine Berechnung des Degradationsgrads der QM-Verbraucher. Dann folgt in Schritt 332 eine Einschaltung der benötigten Superkondensatoren mit TSS und dann in einem Schritt 334 eine Einschaltung der QM-Verbraucher. Anschließend erfolgt (Pfeil 336) ein Sprung zu Schritt 302.If it is determined in
Wird in Schritt 326 festgestellt, dass nicht gilt, dass die prädiktive Leistungsrückspeisung <= der Leistungsaufnahme der Superkondensatoren mit TSS und der QM-Verbraucher ist, so wird (Pfeil 338) in einem Schritt 340 überprüft, ob die prädiktive Leistungsrückspeisung <= der Leistungsaufnahme der Superkondensatoren mit TSS plus der QM-Verbraucher plus der Lesistungsabgabe der DCDC ist. Ist dies der Fall, so erfolgt (Pfeil 342) in Schritt 344 eine Berechnung der Reduktion der Leistungsabgabe der DCDC. Dann erfolgt in einem Schritt 346 ein Einschalten der benötigten Superkondensatoren mit TSS. Darauf erfolgt in einem Schritt 348 ein Einschalten der QM-Verbraucher. Anschließend erfolgt in einem Schritt 350 eine Reduktion der DCDC-Leistungsabgabe. Darauf erfolgt (Pfeil 352) ein Sprung zu Schritt 302.If it is determined in
In einem Schritt 360 wird überprüft, ob ein prädiktiver Leistungsbedarf vorliegt. Ist dies der Fall, so erfolgt (Pfeil 362) in einem Schritt 364 eine Überprüfung, ob der prädiktive Leistungsbedarf <= der maximalen Leistungsreserve der Superkondensatoren mit HSS ist. Ist dies der Fall, so erfolgt (Pfeil 366) in einem Schritt 368 eine Auswahl der benötigten Superkondensatoren mit HSS. Dann folgt in einem Schritt 370 eine Einschaltung der benötigten Superkondensatoren mit HSS. Dann erfolgt (Pfeil 372) ein Sprung zu Schritt 302.In a
Ergibt die Überprüfung in Schritt 364, das nicht gilt, dass der prädiktive Leistungsbedarf <= der maximalen Leistungsreserve der Superkondensatoren mit HSS ist, so erfolgt (Pfeil 374) in einem Schritt 376 eine Überprüfung, ob die prädiktiven Leistungsbedarfe <= der Leistungsreserve der Superkondensator-Matrix plus DCDC sind. Ist dies der Fall, so erfolgt (Pfeil 378) in Schritt 380 eine Berechnung der benötigten DCDC-Leistungsabgabe. Dann folgt in einem Schritt 382 eine Einschaltung der benötigten Superkondensatoren mit HSS. Anschließend folgt in einem Schritt 384 eine Erhöhung der DCDC-Leistungsabgabe. Anschließend folgt (Pfeil 386) ein Sprung zu Schritt 302.If the check in
Ergibt die Überprüfung in Schritt 376, das nicht gilt, dass die prädiktiven Leistungsbedarfe <= der Leistungsreserve der Superkondensator-Matrix plus DCDC sind, so erfolgt (Pfeil 388) in einem Schritt 390 eine Überprüfung, ob die prädiktiven Leistungsbedarfe <= der Leistungsreserve der Superkondensator-Matrix plus der DCDC plus der Qualitätsverbraucher sind. Ist dies der Fall, so erfolgt (Pfeil 392) in einem Schritt 394 eine Berechnung des Degardationsgrads der QM-Verbraucher. Dann folgt in einem Schritt 396 eine Einschaltung der benötigten Superkondensatoren mit HSS. Darauf folgt in einem Schritt 398 eine Erhöhung der DCDC-Leistungsabgabe. Anschließend folgt in einem Schritt 400 eine Degradation bzw. Abschaltung von QM-Verbrauchern. Anschließend erfolgt ein Sprung (Pfeil 402) zu Schritt 302.If the check in
Ein erstes Steuerungsverfahren 460 umfasst die Degradation der QM-Verbraucher. Ein zweites Steuerungsverfahren 462 betrifft die DCDC-Regelung im oberen Bereich. Ein drittes Steuerungsverfahren 464 umfasst die Einschaltung der Superkondensatoren mit HSS. Ein viertes Steuerungsverfahren 466 betrifft die Einschaltung der Superkondensatoren mit TSS. Ein fünftes Steuerungsverfahren 468 umfasst die Einschaltung von QM-Verbrauchern. Ein sechstes Steuerungsverfahren 470 betrifft die DCDC-Regelung im oberen Bereich.A
Das vorgestellte Verfahren kann bspw. in Verbindung mit Einsatzszenarien bei Energiebordnetzen mit Zone-/ Ringtopologien eingesetzt werden, wobei Verbraucher im Fahrzeug verteilt eingebaut sind.The method presented can be used, for example, in connection with application scenarios for on-board power supply systems with zone/ring topologies, with consumers installed distributed in the vehicle.
Folgende Komponenten könnten bspw. eine solche Funktion integrieren:
- Zonensteuergeräte,
- Fahrzeugsteuerung,
- Powernet Guardian (PNG), ein Haupttrennschalter mit integriertem elektronischen Leistungsverteiler und Bordnetzdiagnosefunktion, elektronische Leistungsverteiler (ePDU),
- Body-Computer.
- zone controllers,
- vehicle control,
- Powernet Guardian (PNG), a main circuit breaker with integrated electronic power divider and vehicle electrical system diagnostics function, electronic power divider (ePDU),
- body computer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102005036210 A1 [0006]DE 102005036210 A1 [0006]
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