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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes und ein solches Bordnetz.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz, das auch als Energieversorgungsnetz bezeichnet werden kann, ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Energie- bzw. Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Das Bordnetz hat somit die Aufgabe, die elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen. Dabei ist zu beachten, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrzeugfunktionen höhere Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug gestellt werden. Dies ist insbesondere in Verbindung mit autonom fahrenden Fahrzeugen, deren Bedeutung zunehmend wächst, zu berücksichtigen.
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Weiterhin ist zu beachten, dass die Anzahl an leistungselektronischen Systemen stetig zunimmt. Wenn eines dieser Systeme ausfällt, kann dies dazu führen, dass die Bordnetzspannung den normalen Betriebsbereich verlässt, was wiederum dazu führen kann, dass die Sicherheit nicht mehr gewährleistet ist und der Komfort der Fahrzeuginsassen abnimmt. Um die Sicherheit von Fahrzeugen zu verbessern, werden fehlertolerante Konzepte von Bordnetzen vorgeschlagen. Es wird in diesem Zusammenhang auf 1 verwiesen.
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Insbesondere in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungsniveaus verwendet. Diese Bordnetze umfassen dann typischerweise mehrere Teilbordnetze, die in manchen Fällen über ein eigenes Spannungsniveau verfügen. Es sind aber auch Bordnetze mit Teilbordnetzen bekannt, bei denen die Teilbordnetze ein einheitliches Spannungsniveau haben. In vielen Fällen verfügen die Teilbordnetze über mindestens eine eigene Energiequelle bzw. einen eigenen Energiespeicher, bspw. eine Batterie bzw. einen Akkumulator.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bordnetz nach Anspruch 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben eines Bordnetzes, das ein erstes Teilbordnetz und ein zweites Teilbordnetz aufweist, wobei dem ersten Teilbordnetz ein erster Energiespeicher, bspw. eine Batterie, und dem zweiten Teilbordnetz ein zweiter Energiespeicher, bspw. eine Batterie, zugeordnet ist. Es wird nunmehr angestrebt, zwischen diesen beiden Energiespeichern einen Ausgleich herzustellen, d. h. dass die erste Kapazität des ersten Energiespeichers und die zweite Kapazität des zweiten Energiespeichers in etwa gleich sind. Es wird somit versucht, ein Gleichgewicht herzustellen.
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Bei dem Verfahren wird die erste Kapazität des ersten Energiespeichers und die zweite Kapazität des zweiten Energiespeichers bestimmt wird. Die Kapazität gibt Auskunft darüber, wieviel Energie noch in dem Energiespeicher gespeichert ist. Die Bestimmung kann kontinuierlich oder auch in zeitlichen, regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, bspw. auch bedarfsabhängig, erfolgen.
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Es wird dann die erste Kapazität mit der zweiten Kapazität verglichen. Dieser Vergleich wird bspw. mittels Differenzbildung durchgeführt. Es ergibt sich dann ein Vergeleichswert, bspw. ein Differenzwert. Auf Grundlage des Vergleichs, d. h. unter Berücksichtigung des Vergleichswerts, wird dann ein erstes Spannungsniveau des ersten Teilbordnetzes und ein zweites Spannungsniveau des zweite Teilbordnetzes vorgegeben. Dieses Spannngsniveau legt fest, mit welcher Spannung das jeweilige Teilbordnetz versorgt wird.
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Die Vergleichsgröße als Ergebnis des Vergleichs kann in einen Regler eingegeben werden, dessen Reglerausgang verwendet wird, um die Spannungsniveaus des ersten Teilbordnetzes und des zweiten Teilbordnetzes vorzugeben.
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Werden als Energiespeicher Batterien verwendet, so wird deren Kapazität durch einen Ladezustand beschrieben, der durch einen Ladezustand-Kennwert (SOC-Wert) repräsentiert wird.
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Der SOC (state of charge) ist ein Kennwert für den Ladezustand von Batterien bzw. Akkus. Dieser SOC-Wert kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität des Energiespeichers im Verhältnis zum Nominalwert. Dabei wird der Ladezustand in Prozent vom vollständig geladenen Zustand angegeben. Der SOC-Wert ist somit ein wichtiger Kennwert für alle batteriegetrieben Geräte und kann auf unterschiedliche Weise gemessen bzw. bestimmt werden. So sind chemische, spannungsmäßige, Strom-integrative und druckabhängie Messverfahren bekannt. Daneben ist es auch bekannt, zum Bestimmen des SOC-Werts die Impedanz zu messen. Aus den gemessenen Größen kann dann der SOC-Wert abgeleitet werden.
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In einer Ausführungsform wird das erste Spannungsniveau des ersten Teilbordnetzes durch einen Ausgang eines ersten Gleichspannungswandlers bestimmt und das zweite Spannungsniveau des zweiten Teilbordnetzes durch einen Ausgang eines zweiten Gleichspannungswandlers bestimmt. Dabei wird der Ausgang des ersten Gleichspannungswandlers unter Berücksichtigung des bestimmten Vergleichswerts auf eine erste Sollgröße und der Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers unter Berücksichtigung des bestimmten Vergleichswerts auf eine zweite Sollgröße geregelt. Gleichspannungswandler, insbesondere in Verbindung mit einer Regelung, ermöglichen eine genaue Vorgabe des Spannungsnivaus.
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Das beschriebene Verfahren kann auch mit einem Bordnetz durchgeführt werden, das neben einem ersten und einem zweiten Teilbordnetz auch ein drittes und ggf. weitere Teilbordnetze aufweist. Es kann dann ein Ausgleich zwischen allen Teilbordnetzen oder aber nur ein Ausgleich zwischen ausgewählten Teilbordnetzen stattfinden.
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Das vorgestellt Bordnetz weist ein erstes und ein zweites Teilbornetz und ggf. noch weitere Teilbordnetze auf und ist zur Durchführung eines Verfahrens der hierin dargestellten Art eingerichtet. Hierfür verfügt das Teilbordnetz typischerweise über eine Anordnung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens, wie diese bspw. in 2 dargestellt ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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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.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in Blockschaltbildern zwei Ausführungsformen von Bordnetztopologien mit fehlertoleranter Funktion.
- 2 zeigt in einem Ablaufdiagramm eine Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Das vorgestellte Verfahren wird nachfolgend anhand von Bordnetzen beschrieben, die genau zwei Teilbordnetze umfassen. Das Verfahren ist selbstverständlich auch bei Bordnetzen mit drei oder mehr Teilbordnetzen durchführbar. In diesem Fall findet bspw. ein Ausgleich zwischen mehr als zwei Energiespeichern, die unterschiedlichen Teilbordnetzen zugeordnet sind, statt.
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1 zeigt in zwei Blockschaltbildern zwei Bordnetze jeweils mit fehlertoleranter Funktion. Die beiden gezeigten Bordnetze haben dabei jeweils zwei Teilbordnetze bzw. Kanäle.
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1a zeigt ein Bordnetz 10 mit einem ersten Teilbordnetz 12 und einem zweiten Teilbordnetz 32. Das erste Teilbordnetz 12 weist einen ersten Gleichspannungswandler 16, der eine Hochspannung in bspw. eine 12 V Spannung umwandelt, einen ersten zuschaltbaren Verbraucher Rb11 18, einen zweiten zuschaltbaren Verbraucher Rb12 20, einen dritten zuschaltbaren Verbraucher RS11 22 und einen vierten zuschaltbaren Verbraucher RS12 24 auf. Für die Zuschaltung ist jeweils ein Schalter vorgesehen. Der erste Gleichspannungswandler 16 gibt eine Spannung Vo1 aus und bestimmt damit das Spannungsniveau des ersten Teilbordnetzes 12. Weiterhin ist dem ersten Gleichspannungswandler 16 eine erste Batterie 26 zugeordnet, deren Ausgangsspannung von dem ersten Gleichspannungswandler 16 in die Spannung zum Betreiben des ersten Teilbordnetzes 12 gewandelt wird.
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Das zweite Teilbordnetz 32 weist einen ersten Gleichspannungswandler 36, der eine Hochspannung in bspw. eine 12 V Spannung umwandelt, einen ersten zuschaltbaren Verbraucher Rb21 38, einen zweiten zuschaltbaren Verbraucher Rb22 40, einen dritten zuschaltbaren Verbraucher RS21 42 und einen vierten zuschaltbaren Verbraucher RS22 44 auf. Für die Zuschaltung ist jeweils ein Schalter vorgesehen. Der zweite Gleichspannungswandler 36 gibt eine Spannung Vo2 aus und bestimmt damit das Spannungsniveau des zweiten Teilbornetzes 32. Weiterhin ist dem zweiten Gleichspannungswandler 36 eine zweite Batterie 46 zugeordnet, deren Ausgangsspannung von dem zweiten Gleichspannungswandler 36 in die Spannung zum Betreiben des zweiten Teilbordnetzes 32 gewandelt wird.
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In 1a sind somit die beiden Gleichspannungswandler 16 und 36 mit zwei getrennten Batterien 26 und 46 verbunden.
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1b zeigt ein Bordnetz 50 mit einem ersten Teilbordnetz 52 und einem zweiten Teilbordnetz 72. Das erste Teilbordnetz 52 weist einen ersten Gleichspannungswandler 56, der eine Hochspannung in bspw. eine 12 V Spannung umwandelt, einen ersten zuschaltbaren Verbraucher RS11 58, einen zweiten zuschaltbaren Verbraucher RS12 60 und einen dritten zuschaltbaren Verbraucher Rb11 62 auf. Für die Zuschaltung ist jeweils ein Schalter vorgesehen. Der erste Gleichspannungswandler 56 gibt eine Spannung Vo1 aus und bestimmt damit das Spannungsniveau des ersten Teilbordnetzes 52. Weiterhin ist dem ersten Gleichspannungswandler 56 eine erste Batterie 66 zugeordnet, deren Ausgangsspannung von dem ersten Gleichspannungswandler 56 in die Spannung zum Betreiben des ersten Teilbordnetzes 52 gewandelt wird.
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Das zweite Teilbordnetz 72 weist einen ersten Gleichspannungswandler 76, der eine Hochspannung in bspw. eine 12 V Spannung umwandelt, einen ersten zuschaltbaren Verbraucher Rb22 78, einen zweiten zuschaltbaren Verbraucher RS21 80 und einen dritten zuschaltbaren Verbraucher RS22 82 auf. Für die Zuschaltung ist jeweils ein Schalter vorgesehen. Der zweite Gleichspannungswandler 76 gibt eine Spannung Vo2 aus und bestimmt damit das Spannungsniveau des zweiten Teilbordnetzes 72. Weiterhin ist dem zweiten Gleichspannungswandler 76 eine zweite Batterie 86 zugeordnet, deren Ausgangsspannung von dem zweiten Gleichspannungswandler 76 in die Spannung zum Betreiben des zweiten Teilbordnetzes 72 gewandelt wird.
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Weiterhin ist in der Darstellung eine gemeinsame Last bzw. ein gemeinsamer Verbraucher Rcom 90 zu erkennen, der aus beiden Teilbornetzen 52 und 72 gespeist bzw. versorgt wird.
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In 1b ist die gemeinsame Last bzw. der gemeinsame Verbraucher 90 somit mit den beiden Ausgängen der Gleichspannungswandler 56 und 76 über zwei ePDUs (electronic power distribution unit: elektronischer Stromverteiler) 92 und 94 verbunden, wobei die beiden Gleichspannungswandler 56 und 76 mit den beiden Batterien 66 und 86 verbunden sind.
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Eine Herausforderung für die beiden in 1 gezeigten Topologien besteht darin, die beiden Batterien 26, 46, 66, 86 auf den beiden Eingängen der beiden Gleichspannungswandler 16, 36, 56, 76 auszugleichen bzw. im Gleichgewicht zu halten. Wie dies gemäß eines Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens erreicht werden kann, ist in 2 dargestellt.
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2 verdeutlicht eine Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. Die Darstellung zeigt insbesondere in Ausgestaltung eine Anordnung 100 zum Durchführen des Verfahrens. Das vorgestellte Bordnetz weist typischerweise eine solche Anordnung 100 auf. Diese Anordnung 100 steuert einen ersten Gleichspannungswandler 130 und einen zweiten Gleichspannungswandler 132 an, die wiederum Teilbornetzen eines typischerweise gemeinsamen Bordnetzes zugeordnet sind.
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In der Anordnung 100 werden mit einem Vergleicher 102, in diesem Fall mittels einer Differenzbildung, ein Ladungszustand SOC1 einer ersten Batterie mit dem Ladungszustand SOC2 einer zweiten Batterie miteinander verglichen. Es ergibt sich damit eine Vergleichsgröße 103, in diesem Fall eine Differenzgröße. Sind die beiden Ladungszustände gleich, so ergibt die Differenzbildung eine Null. Ansonsten ist das Ergebnis, d. h. die Vergelchsgröße 103, ein positiver oder negativer Wert. Vergleich von Ladezuständen bedeutet regelmäßig, dass Kennzahlen, die diese Ladezustände repräsentieren, miteinander verglichen werden. Der Kennwert des Ladezustandes wird bspw. in Prozent angegeben.
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Der Ausgangswert des Vergleichs bzw. der Differenzbildung, die Vergleichsgröße, wird in einen Ladezustand-Regler 104 eingegeben, der einen Reglerausgang ΔVref 106 ausgibt. Dieser Wert wirkt sich auf eine Spannungsvorgabe bzw. eine Sollgröße der Regelungen beider Gleichspannungswandler 130 und 132 aus.
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Der Reglerausgang ΔVref 106 wird mit einer Standard-Regelsollgröße Vref11 108 addiert. Das Ergebnis der Addition 110 wird in einen Spannungsregler 112 eingegeben. Dieses gibt einen Wert Vref12 114 aus, der die Referenzgröße bzw. die erste Sollgröße für die Regelung des ersten Gleichspannungswandlers 130 darstellt. Dieser erste Gleichspannungswandler 130 gibt dann eine Spannung v01 aus, die das Spannungsniveau des ersten Teilbordnetzes bestimmt.
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Daneben wird der Reglerausgang ΔVref 106 invertiert (Inverter 120) und mit einer Standard-Regelsollgröße Vref21 122 addiert. Der Ausgang 122 der Addition wird in einen Spannungsregler 124 gegeben, dessen Ausgang ist der Wert Vref22 126, der die Referenzgröße bzw. die zweite Sollgröße für die Regelung des zweiten Gleichspannungswandlers 132 darstellt. Dieser zweite Gleichspannungswandler 132 gibt dann eine Spannung v02 aus, die das Spannungsniveau des zweiten Teilbordnetzes bestimmt.
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Wenn der Ladezustand SOC1 der ersten Batterie über dem Ladezustand SOC2 der zweiten Batterie liegt, wird der Reglerausgang ΔVref 106 erhöht. Dies führt zu einer Verringerung der Spannungsreferenz bzw. Sollgröße Vref12 114 des ersten Gleichspannungswandlers 130 und einer Erhöhung der Spannungsreferenz Vref 22 126 des zweiten Gleichspannungswandlers 132. Somit wird die Ausgangsspannung v01 des ersten Gleichspannungswandlers 130 reduziert und die Ausgangsspannung vo2 des zweiten Gleichspannungswandlers 132 wird erhöht. Auf diese Weise verringert sich der Ladezustand SOC1 der ersten Batterie schneller als der Ladezustand SOC2 der zweiten Batterie, bis die beiden Batterien den gleichen Ladezustand haben.
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Wenn der Ladezustand SOC1 der ersten Batterie unter dem Ladungszustand SOC2 der zweiten Batterie ist, wird der Reglerausgang ΔVref 106 verringert. Dies führt zu einer schnelleren Entladung der zweiten Batterie im Vergleich zu der Entladung der ersten Batterie, bis die beiden Batterien den gleichen Ladezustand haben.
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Das vorgestellte Verfahren kann insbesondere in elektrisch angetrieben Fahrzeugen Anwendung finden.
