DE102022203523A1 - Kraftfahrzeugbordnetz und Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes - Google Patents

Kraftfahrzeugbordnetz und Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz (1) mit einem ersten Bordnetzzweig (2) und einem zweiten Bordnetzzweig (3), wobei die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig (2) größer als im zweiten Bordnetzzweig (3) ist, wobei die beiden Bordnetzzweige (2, 3) durch einen DC/DC-Wandler (4) miteinander verbunden sind, wobei im ersten Bordnetzzweig (2) ein Generator, ein erster Energiespeicher (8) und mindestens ein schaltbarer Hochleistungsverbraucher (7) angeordnet ist und im zweiten Bordnetzzweig (3) ein zweiter Energiespeicher (9) angeordnet ist, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz (1) mindestens ein Steuergerät (11, 12) aufweist, wobei das mindestens eine Steuergerät (11, 12) derart ausgebildet ist, vor der Zuschaltung des mindestens einen Hochleistungsverbrauchers (7) den Generator derart anzusteuern, dass dieser den ersten Energiespeicher (8) mit einer maximalen Ladespannung lädt, bevor der Hochleistungsverbraucher (7) zugeschaltet wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes.
  • Aus der DE 10 2011 086 829 A1 ist ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeugbordnetz bekannt, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz einen ersten Bordnetzzweig und einen zweiten Bordnetzzweig aufweist, wobei die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig größer als im zweiten Bordnetzzweig ist, wobei die beiden Bordnetzzweige durch einen DC/DC-Wandler miteinander verbunden sind. In dem ersten Bordnetzzweig ist ein Generator, ein erster Energiespeicher und mindestens ein schaltbarer Hochleistungsverbraucher angeordnet. Das Kraftfahrzeug weist weiter mindestens ein Steuergerät auf. Dabei ist vorgesehen, dass, wenn der Hochleistungsverbraucher eingeschaltet wird und es zu einem Spanungseinbruch im ersten Bordnetzzweig kommt, der DC/DC-Wandler in den Hochsetzbetrieb geschaltet wird, sodass der zweite Bordnetzzweig den ersten Bordnetzzweig stützt.
  • Aus der DE 10 2014 203 716 A1 ist ein ähnliches Kraftfahrzeugbordnetz bekannt. Dabei wird der DC/DC-Wandler bei Abschalten des Hochleistungsverbrauchers derart angesteuert, dass dieser zumindest kurzfristig die Ausgangsgrößen mit demselben Wert in den ersten und zweiten Bordnetzzweig eingespeist werden wie vor der Veränderung der Belastung.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Kraftfahrzeugbordnetz bezüglich des Einschaltens von Hochleistungsverbrauchern weiter zu verbessern sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Kraftfahrzeugbordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu weist das Kraftfahrzeugbordnetz einen ersten Bordnetzzweig und einen zweiten Bordnetzzweig auf, wobei die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig größer als im zweiten Bordnetzzweig ist. Die beiden Bordnetzzweige sind durch einen DC/DC-Wandler untereinander verbunden. Im ersten Bordnetzzweig ist ein Generator, ein erster Energiespeicher und mindestens ein schaltbarer Hochleistungsverbraucher angeordnet. Im zweiten Bordnetzzweig ist ein zweiter Energiespeicher angeordnet, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz mindestens ein Steuergerät aufweist, das derart ausgebildet ist, vor der Zuschaltung des mindestens einen Hochleistungsverbrauchers den Generator derart anzusteuern, dass dieser den ersten Energiespeicher mit einer maximalen Ladespannung lädt, bevor der Hochleistungsverbraucher zugeschaltet wird. Hierdurch kann ein Spannungseinbruch am ersten Energiespeicher signifikant reduziert werden. Der Hochleistungsverbraucher ist dabei ein Verbraucher, dessen Leistungsentnahme zu einem Spannungseinbruch am ersten Energiespeicher führen kann, was gegebenenfalls abhängig von der Temperatur und/oder dem SOC des Energiespeichers ist. Daher kann auch vorgesehen sein, dass das Hochregeln des Generators nur erfolgt, wenn aufgrund der Temperatur und/oder des SOCs ein Spannungseinbruch zu erwarten ist. Der erste und zweite Energiespeicher sind vorzugsweise Batterien. Dabei kann die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig beispielsweise 48 V und im zweiten Bordnetzzweig 12 V betragen.
  • In einer Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet, wobei das mindestens eine Steuergerät derart ausgebildet ist, den DC/DC-Wandler in den Hochsetzbetrieb zu schalten, wenn der Generator den ersten Energiespeicher mit maximaler Ladespannung lädt und der Hochleistungsverbraucher noch nicht eingeschaltet ist. Dabei wird die Ausgangsspannung auf die Nominalspannung des ersten Bordnetzzweiges festgelegt. Hierdurch wird erreicht, dass zunächst der zweite Bordnetzzweig nicht belastet wird. Wird dann der Hochleistungsverbraucher eingeschaltet, so stützt der zweite Bordnetzzweig unmittelbar den ersten Energiespeicher, falls dessen Spannung einbrechen sollte. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden dabei Umschaltzeiten vom Tiefsetz- zum Hochsetzbetrieb vermieden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Generator als Starter-Generator und insbesondere als Riemen-Starter-Generator ausgebildet. Dies ermöglicht neben den typischen Vorteilen eines Starter-Generators den motorischen Betrieb, um so vor dem Ausschalten des Hochleistungsverbrauchers den Ladezustand des ersten Energiespeichers gezielt zu reduzieren. Dabei kann aber auch vorgesehen sein, den Starter-Generator vor dem Ausschalten nur mit einer geringeren Ladeleistung zu betreiben.
  • Alternativ oder kumulativ kann zusätzlich vor dem Ausschalten des Hochleistungsverbrauchers der DC/DC-Wandler in den Tiefsetzbetrieb geschaltet werden, sodass der zweite Bordnetzzweig Energie vom ersten Bordnetzzweig übernehmen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind dem Generator, dem Hochleistungsverbraucher, dem ersten Energiespeicher, dem DC/DC-Wandler und dem zweiten Energiespeicher lokale Steuergeräte zugeordnet, wobei ein zentrales Steuergerät derart ausgebildet ist, den lokalen Steuergeräten Steuerbefehle zu übermitteln. Beispielsweise erhält das zentrale Steuergerät die Information, dass der Hochleistungsverbraucher eingeschaltet werden soll. Das zentrale Steuergerät kann dann in Abhängigkeit des SOCs des ersten und zweiten Energiespeichers den Generator und/oder den DC/DC-Wandler ansteuern, dass der Generator den ersten Energiespeicher mit maximaler Ladespannung lädt und der DC/DC-Wandler in den Hochsetzbetrieb geschaltet wird, bevor dann das zentrale Steuergerät den Einschaltbefehl an das Steuergerät des Hochleistungsverbrauchers übermittelt. Entsprechend kann das zentrale Steuergerät die Ausschaltung des Hochleistungsverbrauchers koordinieren.
  • Das Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz einen ersten und zweiten Bordnetzzweig aufweist, wobei die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig größer als im zweiten Bordnetzzweig ist, wobei die beiden Bordnetzzweige durch einen DC/DC-Wandler miteinander verbunden sind, wobei im ersten Bordnetzzweig ein Generator, ein erster Energiespeicher und mindestens ein schaltbarer Hochleistungsverbraucher angeordnet ist und im zweiten Bordnetzzweig ein zweiter Energiespeicher angeordnet ist, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz mindestens ein Steuergerät aufweist, umfasst den Verfahrensschritt, dass das Steuergerät vor der Zuschaltung des mindestens einen Hochleistungsverbrauchers den Generator ansteuert, sodass dieser den ersten Energiespeicher mit einer maximalen Ladespannung lädt, bevor der Hochleistungsverbraucher zugeschaltet wird.
  • Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugbordnetzes,
    • 2a-2c Leistungsverläufe beim Einschalten eines Hochleistungsverbrauchers ohne Unterstützung vom zweiten Bordnetzzweig und
    • 3a-3d Leistungsverläufe beim Einschalten eines Hochleistungsverbrauchers mit Unterstützung vom zweiten Bordnetzzweig.
  • In der 1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz 1 dargestellt, das einen ersten Bordnetzzweig 2 und einen zweiten Bordnetzzweig 3 aufweist, wobei die Nominalspannung des ersten Bordnetzzweiges 2 48 V und die Nominalspannung des zweiten Bordnetzzweiges 3 12 V beträgt. Die beiden Bordnetzzweige 2, 3 sind über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler miteinander verbunden. Im ersten Bordnetzzweig 2 ist ein Starter-Generator 5, ein über einen Schalter 6 schaltbarer Hochleistungsverbraucher 7 und ein erster Energiespeicher 8 angeordnet. Dabei sei angemerkt, dass auch mehrere schaltbare Hochleistungsverbraucher 7 vorgesehen sein können. Im zweiten Bordnetzzweig 3 ist ein zweiter Energiespeicher 9 und ein weiterer Verbraucher 10 angeordnet. Dem Starter-Generator 5, dem Schalter 6 bzw. dem Hochleistungsverbraucher 7, dem ersten Energiespeicher 8, dem zweiten Energiespeicher 9 und dem DC/DC-Wandler 4 sind jeweils lokale Steuergeräte 11 zugeordnet, die mit einem zentralen Steuergerät 12 verbunden sind, beispielsweise über ein Bussystem. Die datentechnische Verbindung zwischen den Steuergeräten 11, 12 ist dabei gepunktet dargestellt.
  • Soll nun der Hochleistungsverbraucher 7 eingeschaltet werden, so überprüft das zentrale Steuergerät 12 zunächst den SOC der beiden Energiespeicher 8, 9 sowie gegebenenfalls die Temperatur der Energiespeicher 8, 9. Anschließend steuert das zentrale Steuergerät 12 über dessen lokales Steuergerät 11 den Starter-Generator 5 an, sodass die Energieeinheit 8 mit maximal zulässiger Ladespannung geladen wird. Das Hochfahren des Starter-Generators 5 benötigt dabei etwas Zeit. Ist die maximale Ladespannung erreicht, so schaltet das zentrale Steuergerät 12 über das lokale Steuergerät 11 des DC/DC-Wandlers 4 in den Hochsetzbetrieb. Dieser Schritt kann dabei vom SOC des zweiten Energiespeichers 9 abhängig sein. Ist dieser bereits sehr tief entladen, so kann eine Unterstützung durch den zweiten Bordnetzzweig 3 entfallen.
  • Anschließend übermittelt dann das zentrale Steuergerät 12 einen Einschaltbefehl an das lokale Steuergerät 11 des Schalters 6 bzw. des Hochleistungsverbrauchers 7 (je nachdem, welchem Element das Steuergerät 11 konkret zugeordnet ist). Der dann stark steigende Strom verursacht eine starke Belastung des ersten Energiespeichers 8, wobei der Starter-Generator 5 weiter hochregelt, um den Spannungseinbruch am ersten Energiespeicher 8 zu verhindern. Sollte dies kurzfristig nicht gelingen, so sinkt die Spannung im ersten Bordnetzzweig 2 unter die Nominalspannung und der DC/DC-Wandler 4 speist Energie vom zweiten Bordnetzzweig 3 in den ersten Bordnetzzweig 2, sodass der Spannungseinbruch verhindert wird, bis der Starter-Generator 5 die Leistung aufbringen kann.
  • Im Fall, dass dann der Hochleistungsverbraucher 7 wieder abgeschaltet werden soll, steuert das zentrale Steuergerät 12 den Starter-Generator 5 so an, dass dieser den ersten Energiespeicher 8 nur noch wenig oder gar nicht lädt. Im Extremfall wird der Starter-Generator 5 kurz motorisch betrieben, wenn der Hochleistungsverbraucher 7 abgeschaltet wird, um so Energie dem ersten Bordnetzzweig zu entziehen. Entsprechend kann der DC/DC-Wandler 4 in den Tiefsetzbetrieb geschaltet werden.
  • Anhand der 2a-2c sowie 3a-3d soll die Arbeitsweise des Kraftfahrzeugbordnetzes 1 näher erläutert werden, wobei in 2a-2c davon ausgegangen wird, dass der zweite Bordnetzzweig 3 zur Stützung nicht zur Verfügung steht.
  • Dabei ist in 2a die Leistungsaufnahme W7 des Hochleistungsverbrauchers 7, in 2b die Leistungsabgabe W5des Starter-Generators 5 und in 2c die Leistungsaufnahme bzw. - abgabe W8 des ersten Energiespeichers 8 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 weiß das zentrale Steuergerät 12, dass der Hochleistungsverbraucher 7 eingeschaltet werden soll und steuert daraufhin den Starter-Generator 5 derart an, dass dieser den ersten Energiespeicher 8 mit maximaler Ladespannung lädt. Entsprechend gibt der Starter-Generator mehr Leistung ab und der erste Energiespeicher 8 nimmt mehr Leistung auf. Allerdings benötigt das Hochfahren des Starter-Generators 4 etwas Zeit. Zum Zeitpunkt t2 lädt dann der Starter-Generator 5 den ersten Energiespeicher mit der maximalen Ladespannung. Zum Zeitpunkt t3 schaltet dann das zentrale Steuergerät 12 den Hochleistungsverbraucher 7 ein. Der Hochleistungsverbraucher 7 nimmt dann nahezu schlagartig die Leistungsaufnahme W7 auf, die nicht vollständig vom Starter-Generator 5 sofort bereitgestellt werden kann, da dieser erst wieder seine Leistungsabgabe weiter hochregeln muss, was bis zum Zeitpunkt t4 dauert. Ab diesem Zeitpunkt t4 wird die Leistungsaufnahme W7 des Hochleistungsverbrauchers 7 durch den Starter-Generator 5 vollständig gedeckt. In der Phase zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 muss der erste Energiespeicher 8 die fehlende Leistung liefern, was zu einem Einbruch der Spannung des ersten Energiespeichers 8 führt, der aber aufgrund des vorherigen Hochregelns des Starter-Generators 5 reduziert ist.
  • In den 3a-3d ist das gleiche Szenario dargestellt, mit dem Unterschied, dass zum Zeitpunkt t2 oder später (aber vor dem Zeitpunkt t3) der DC/DC-Wandler 4 in den Hochsetzbetrieb geschaltet wird, wobei auf die Nominalspannung des ersten Bordnetzzweiges 2 geregelt wird.
  • Muss dann zum Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 der erste Energiespeicher 8 Leistung zur Verfügung stellen, die zu einem Absinken der Spannung führt, so liefert der DC/DC-Wandler 4 entsprechend Energie, die dem Spannungsabfall an dem ersten Energiespeicher 8 entgegenwirkt, sodass es zu keinem signifikanten Spannungseinbruch kommt, da dieser sofort ausgeregelt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeugbordnetz
    2
    erster Bordnetzzweig
    3
    zweiter Bordnetzzweig
    4
    DC/DC-Wandler
    5
    Starter-Generator
    6
    Schalter
    7
    Hochleistungsverbraucher
    8
    erster Energiespeicher
    9
    zweiter Energiespeicher
    10
    Verbraucher
    11
    lokales Steuergerät
    12
    zentrales Steuergerät
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011086829 A1 [0002]
    • DE 102014203716 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Kraftfahrzeugbordnetz (1) mit einem ersten Bordnetzzweig (2) und einem zweiten Bordnetzzweig (3), wobei die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig (2) größer als im zweiten Bordnetzzweig (3) ist, wobei die beiden Bordnetzzweige (2, 3) durch einen DC/DC-Wandler (4) miteinander verbunden sind, wobei im ersten Bordnetzzweig (2) ein Generator, ein erster Energiespeicher (8) und mindestens ein schaltbarer Hochleistungsverbraucher (7) angeordnet ist und im zweiten Bordnetzzweig (3) ein zweiter Energiespeicher (9) angeordnet ist, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz (1) mindestens ein Steuergerät (11, 12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuergerät (11, 12) derart ausgebildet ist, vor der Zuschaltung des mindestens einen Hochleistungsverbrauchers (7) den Generator derart anzusteuern, dass dieser den ersten Energiespeicher (8) mit einer maximalen Ladespannung lädt, bevor der Hochleistungsverbraucher (7) zugeschaltet wird.
  2. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (4) als bidirektionaler DC/DC-Wandler (4) ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Steuergerät (11, 12) derart ausgebildet ist, den DC/DC-Wandler (4) in den Hochsetzbetrieb zu schalten, wenn der Generator den ersten Energiespeicher (8) mit maximaler Ladespannung lädt und der Hochleistungsverbraucher (7) noch nicht eingeschaltet ist.
  3. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator als Starter-Generator (5) ausgebildet ist.
  4. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuergerät (11, 12) derart ausgebildet ist, dass vor einem Ausschalten des Hochleistungsverbrauchers (7) der DC/DC-Wandler (4) in den Tiefsetzbetrieb geschaltet wird und/oder der Starter-Generator (5) motorisch oder mit verringerter Ladeleistung betrieben wird.
  5. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator, dem Hochleistungsverbraucher (7), dem ersten Energiespeicher (8), dem DC/DC-Wandler (4) und dem zweiten Energiespeicher (9) lokale Steuergeräte (11) zugeordnet sind, wobei ein zentrales Steuergerät (12) derart ausgebildet ist, mindestens einzelnen der lokalen Steuergeräte (11) Steuerbefehle zu übermitteln.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugbordnetzes (1), wobei das Kraftfahrzeugbordnetz (1) einen ersten Bordnetzzweig (2) und einen zweiten Bordnetzzweig (3) aufweist, wobei die Nominalspannung im ersten Bordnetzzweig (2) größer als im zweiten Bordnetzzweig (3) ist, wobei die beiden Bordnetzzweige (2, 3) durch einen DC/DC-Wandler (4) miteinander verbunden sind, wobei im ersten Bordnetzzweig (2) ein Generator, ein erster Energiespeicher (8) und mindestens ein schaltbarer Hochleistungsverbraucher (7) angeordnet ist und im zweiten Bordnetzzweig (3) ein zweiter Energiespeicher (9) angeordnet ist, wobei das Kraftfahrzeugbordnetz (1) mindestens ein Steuergerät (11, 12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11, 12) vor der Zuschaltung des mindestens einen Hochleistungsverbrauchers (7) den Generator ansteuert, sodass dieser den ersten Energiespeicher (8) mit einer maximalen Ladespannung lädt, bevor der Hochleistungsverbraucher (7) zugeschaltet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (4) als bidirektionaler DC/DC-Wandler (4) ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Steuergerät (11, 12) den DC/DC-Wandler (4) in den Hochsetzbetrieb schaltet, wenn der Generator den ersten Energiespeicher (8) mit maximaler Spannung lädt und der Hochleistungsverbraucher (7) noch nicht eingeschaltet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator als Starter-Generator (5) ausgebildet ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausschalten des Hochleistungsverbrauchers (7) der DC/DC-Wandler (4) in den Tiefsetzbetrieb geschaltet wird und/oder der Starter-Generator (5) motorisch oder mit verringerter Ladeleistung betrieben wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator, dem Hochleistungsverbraucher (7), dem ersten Energiespeicher (8), dem DC/DC-Wandler (4) und dem zweiten Energiespeicher (9) lokale Steuergeräte (11) zugeordnet sind, wobei ein zentrales Steuergerät (12) mindestens einzelnen lokalen Steuergeräten (11) Steuerbefehle übermittelt.
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