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Die Erfindung betrifft ein Energiebordnetz
zur Versorgung eines Hochleistungsverbrauchers, insbesondere ein
Energiebordnetz für
ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Es sind bereits Bordnetz-Architekturen
bekannt, die zwei Energiespeicher aufweisen. Dies dient unter anderem
dem Zweck, die Startfähigkeit
eines Kraftfahrzeugs zu verbessern oder die Bordnetzspannung des
Kraftfahrzeugs zu stabilisieren.
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Aus der
DE 199 44 833 A1 ist ein
Mehrspannungsbordnetz mit wenigstens zwei von Masse verschiedenen
Spannungen von beispielsweise 42V und 14V bekannt. Eine erste dieser
Spannungen, nämlich
die 42V-Spannung, wird von einem Generator erzeugt und zur Ladung
eines ersten Energiespeichers verwendet. Die 14V-Spannung wird aus
der ersten Spannung mittels eines Gleichspannungswandlers gebildet
und zur Ladung eines zweiten Energiespeichers verwendet. Die beiden
Spannungen dienen zur Versorgung zweier getrennter Gleichspannungsnetze,
wobei im ersten Gleichspannungsnetz Hochleistungsverbraucher vorgesehen
sind und im zweiten Gleichspannungsnetz Verbraucher vorgesehen sind,
die eine niedrigere Versorgungsspannung benötigen. Zwischen den beiden
Spannungsebenen sind als Kurzschlussschutz Mittel vorgesehen, die
die Gefahr eines Kurzschlusses verringern und/oder die Auswirkungen
eines Kurzschlusses zwischen den beiden Spannungen vermindern und
ggf. gefährdete
Verbraucher im Kurzschlussfall schützen.
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Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 101 24 543.2 sind ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrisch betriebenen
Laders bekannt, welcher mit einem Abgasturbolader zur Verdichtung
der angesaugten Luft einer Brennkraftmaschine zusammenwirkt. Dabei
wird ein Ansteuersignal für
den elektrischen Lader gebildet, das abhängig ist von dem über den
elektrischen Lader einzustellenden Druckverhältnis. Die Ermittlung des Ansteuersignals
erfolgt mittels einer elektronischen Steuereinheit unter Verwendung
von Informationen über
den Umgebungsdruck, den Ladedrucksollwert, den Luftmassensollwert
und die Motordrehzahl. Dabei kommen abgespeicherte Kennfelder zum
Einsatz.
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Vorteile der
Erfindung
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Demgegenüber weist ein erfindungsgemäßes Energiebordnetz
mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen den Vorteil auf, dass
ein Betrieb von Hochleistungsverbrauchern, insbesondere eines elektrischen
Zusatzverdichters, möglich
ist, ohne dass störende
Auswirkungen auf andere Verbraucher des Bordnetzes auftreten.
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Dies wird dadurch erreicht, dass
der Hochleistungsverbraucher im Sinne einer Inselnetzversorgung
mit einem eigenen zweiten Energiespeicher verbunden ist, welcher über eine
steuerbare Lade- und Trenneinheit an das Bordnetz angeschlossen
ist. Dies ermöglicht
es, den zur Versorgung des Hochleistungsverbrauchers vorgesehenen
zweiten Energiespeicher selbst bei Vorliegen einer geringen Übertragungsleistung
der Lade- und Trenneinheit nachzuladen. Dieses Nachladen wird in
vorteilhafter Weise nur in Zeiträumen
durchgeführt,
in denen der Generator des Fahrzeugs nicht vollständig ausgelastet
ist.
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Untersuchungen haben ergeben, dass
ein elektrischer Zusatzverdichter in typischen Fahrzyklen nur in
ca. 5% der Gesamtdauer elektrische Energie aufnimmt. Die Durchschnittsleistung
dieses Verbrauchers hängt
vom Fahrzyklus ab und ist meistens mit ca. 25W gering. Daher besteht
die Möglichkeit,
den zweiten Energiespeicher in den übrigen 95% der Gesamtdauer
nachzuladen.
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Die Trennfunktion der Lade- und Trenneinheit
kann darüber
hinaus in Fehlerfällen
oder in Ruhephasen vorteilhaft eingesetzt werden.
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Der zweite Energiespeicher und der
elektrische Zusatzverdichter bilden ein Inselnetz mit verringerter
Spannungsstabilität.
Als elektronisch geregelte Maschine kann der elektrische Zusatzverdichter seinen
Leistungsbedarf aus diesem Inselnetz trotz instabiler Spannung desselben
decken. Eine Rückwirkung
der instabilen Spannungslage auf das übrige Bordnetz bleibt weitgehend
aus. Folglich zeigt die Erfindung einen Weg, wie ein elektrischer
Zusatzverdichter in ein Energiebordnetz integriert werden kann,
ohne dass seine Bordnetzunverträglichkeit
bezüglich
bisher bekannter Bordnetze in Erscheinung tritt. Dies hat insbesondere
den Vorteil, dass die Funktionen weiterer Verbraucher des Bordnetzes, die
empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren, auch im Fahrbetrieb
nicht beeinträchtigt
werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Figur zeigt ein Diagramm mit den zum Verständnis der Erfindung wesentlichen
Bauteilen eines Energiebordnetzes zur Versorgung eines Hochleistungsverbrauchers.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In der Figur ist ein Energiebordnetz
für ein Kraftfahrzeug
dargestellt, in welchem eine erste Batterie 1 und eine
zweite Batterie 2 enthalten sind. Die Nennspannung dieser
beiden Batterien ist vorzugsweise gleich, sie kann aber auch verschieden
sein.
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Bei der Batterie 1 handelt
es sich um die Hauptbatterie des Kraftfahrzeugs. Diese steht über das
Bordnetz 3 und eine Sicherung 4 mit einem Bordnetzgenerator 5 in
Verbindung. Dieser Bordnetzgenerator 5 ist ein riemenbetriebener
Generator mit Regler 6. Weiterhin ist der Starter 7 dargestellt,
der über
das Starter-Relais 8 mit dem Bordnetz 3 verbunden
ist. Alternativ zu 5, 6, 7 und 8 kann
auch ein auf der Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs vorgesehener integrierter
Startergenerator vorgesehen sein.
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Die Batterie 2 ist eine
in einem Inselnetz 13 vorgesehene Zusatzbatterie, welche über eine
Sicherung 14 mit einem Hochleistungsverbraucher 15 verbunden
ist, bei welchem es sich um einen elektrischen Zusatzverdichter
handelt.
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An das Bordnetz 3 sind über einen
Leistungsverteiler 19, welcher Sicherungen und Schalter enthält, Verbraucher 20, 21 und 22 angeschlossen. Die
im Leistungsverteiler vorgesehenen Schalter, mittels welcher der
jeweilige Verbraucher zu- oder abschaltbar ist, werden vom elektrischen
Energiemanagement 12 über
den CAN-Bus 11 gesteuert. Weiterhin steht die Batterie 2 über ein
steuerbares Lade- und
Trennmodul 16 mit dem Bordnetz 3 in Verbindung.
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Der Generator 5 wird im
Betrieb des Kraftfahrzeugs von einem Verbrennungsmotor 9 angetrieben,
dessen Betrieb von einem Motormanagement 10 gesteuert wird.
Das Motormanagement 10 steht über den CAN-Bus 11 mit
einem elektrischen Energiemanagement 12 in Verbindung.
Dieses elektrische Energiemanagement 12 ist für eine intelligente Koordination
des Bordnetz-Energieflusses, eine optimierte Nachladung der an das
Bordnetz 3 angeschlossenen Batterien 1 und 2,
das Management des Lade- und Trennmoduls 16, eine Beeinflussung
der Generatorregelung, beispielsweise unter Verwendung einer bitsynchronen
Schnittstelle 17, das Verbrauchermanagement und eine Beeinflussung
des Motormanagements 10 über den CAN-Bus 11 vorgesehen.
Das elektrische Energiemanagement 12 koordiniert den Energiefluss
derart, dass ein abgestimmter Betrieb des elektrischen Zusatzverdichters 15 ermöglicht wird,
wobei die Stabilität
des Bordnetzes gewährleistet
ist.
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Das elektrische Energiemanagement 12 bezieht
Eingangssignale von einer Batteriezustandserkennung 18,
die an die erste Batterie 1 angeschlossen ist, um deren
Zustand zu ermitteln. Zu diesem Zweck wertet die Batteriezustandserkennung
die Batteriespannung, den Batteriestrom und die Batterietemperatur
aus. In einer Variante kann die Batteriezustandserkennung 18 auch
in die Plus-Leitung eingebunden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung erfasst die Batteriezustandserkennung 18 auch
den Zustand der zweiten Batterie 2. Dadurch ist ein verbessertes
Energiemanagement möglich,
da genauere Informationen über
die momentane Leistungsfähigkeit
der dem Bordnetz angehörenden
Batterien vorliegen.
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Die zweite Batterie 2, deren
Hauptaufgabe darin besteht, die vom elektrischen Zusatzverdichter 15 benötigte Energie
bereitzustellen, kann in vorteilhafter Weise auch als Zusatzbatterie
für den
Motorstart verwendet werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass
bei einem Starten des Kraftfahrzeugs keine Spannungseinbrüche im Bordnetz 3 auftreten. Dadurch
wird beispielsweise ein unterbrechungsfreier Betrieb des Autoradios
und des Autotelefons ermöglicht.
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Mittels des elektrischen Zusatzverdichters 15,
der an einen Datenbus des Fahrzeugs angeschlossen ist, wird eine
erhebliche Leistungs- und Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors 9 des Kraftfahrzeugs
erreicht. Durch eine Kompensation zu geringer Drehmomente in bestimmten
Drehzahlbereichen erlaubt der Einsatz eines derartigen elektrischen
Zusatzverdichters auch eine Verringerung der Motorengröße.
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Bei diesem elektrischen Zusatzverdichter 15 handelt
es sich um ein elektrisch betriebenes Aggregat bzw. einen Verbraucher,
welcher elektrische Leistung aus dem Bordnetz 3 des Kraftfahrzeugs
benötigt.
Die Leistungsanforderungen eines elektrischen Zusatzverdichters
sind mit Bordnetzen, die nach dem Stand der Technik arbeiten, ohne
ungewünschte Rückwirkungen
auf andere Verbraucher des Bordnetzes nicht erfüllbar.
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Ein elektrischer Zusatzverdichter
ist im Unterschied zu anderen Hochleistungsverbrauchern wie einer
elektrohydraulischen Bremse und einer elektromechanischen Lenkhilfe
ein Hochleistungsverbraucher, dessen Funktionen nur sehr begrenzt sicherheitsrelevant
sind. Dies erlaubt es, bei Bedarf eine Sonderbetriebsart des elektrischen
Zusatzverdichters einzuleiten, in welcher die an ihn gestellten Anforderungen
reduziert sind. Da der elektrische Zusatzverdichter als EC-Motor
ausgeführt
ist, unterstützt
er diese Varianten der Ansteuerung.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass
ein elektrischer Zusatzverdichter in typischen Fahrzyklen nur in
ca. 5% der Gesamtdauer elektrische Energie aufnimmt. Die vom elektrischen
Zusatzverdichter aufgenommene Durchschnittsleistung ist mit ca.
25W gering. Dies erlaubt es, die in der Figur gezeigte zweite Batterie 2,
deren Hauptaufgabe die Versorgung des elektrischen Zusatzverdichters 15 ist,
in den verbleibenden 95% der Gesamtdauer des Fahrzyklus auch bei
nur geringer Übertragungsleistung des
Lade- und Trennmoduls 16 aus dem Bordnetz 3 nachzuladen.
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Die zweite Batterie 2 und
der elektrische Zusatzverdichter 15 sind Bestandteile eines
Inselnetzes 13, welches über das steuerbare Lade- und
Trennmodul 16 an das übrige
Bordnetz anschaltbar und von diesem trennbar ist. Die zugehörige Ansteuerung des
Lade- und Trennmoduls erfolgt durch das elektrische Energiemanagement 12.
Ein Anschalten der zweiten Batterie 2 an das Bordnetz 3 erfolgt
zum Nachladen der zweiten Batterie 2 aus dem Bordnetz 3 und
auch bei einem Starten des Verbrennungsmotors 9, um Spannungseinbrüche auf
dem Bordnetz zu vermeiden bzw. zu begrenzen. Ein Abtrennen der zweiten
Batterie 2 vom Bordnetz 3 erfolgt stets bei einer
Aktivierung des elektrischen Zusatzverdichters 15, um Rückwirkungen
auf das übrige
Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher 20, 21 und 22 zu
vermeiden. Ein Abtrennen der zweiten Batterie 2 vom Bordnetz 3 erfolgt
auch dann, wenn im Bordnetz Fehler erkannt werden, und in Ruhephasen.
Ein vollständiges
Abtrennen ist jedoch nicht erforderlich, wenn das Lade- und Trennmodul 16 über eine
Strombegrenzung verfügt.
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Das genannte Inselnetz 13 weist
im Vergleich zum Bordnetz 3 eine verringerte Spannungsstabilität auf. Trotz
dieser vergleichsweise instabilen Spannung des Inselnetzes kann
der elektrische Zusatzverdichter 15 die von ihm benötigte Leistung
aus diesem Inselnetz beziehen. Eine Rückwirkung der instabilen Spannungslage
im Inselnetz auf das übrige Bordnetz
bleibt weitgehend aus. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Lade-
und Trennmodul 16 einen Gleichspannungswandler aufweist, über welchen das
Inselnetz mit einer auf ca. 150W begrenzten Leistung gespeist wird.
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Das oben beschriebene Nachladen der
zweiten Batterie 2 wird in vorteilhafter Weise auf die
Zeiträume
begrenzt, in denen der Generator 5 des Kraftfahrzeugs nicht
voll ständig
ausgelastet ist. Dieser Zustand wird über das DFM-Signal (Dynamo-Feld-Monitorsignal)
des Generatorreglers ermittelt und bei der Ermittlung der Sollspannung
auf der Sekundärseite
des Lade- und Trennmoduls 16 berücksichtigt.
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Um eine Steuerung des Betriebes des
elektrischen Zusatzverdichters 15 durchzuführen, erfolgt unter
anderem eine Ermittlung der Leistungsfähigkeit im Inselnetz unter
Verwendung einer Spannungsmessung am elektrischen Zusatzverdichter 15.
Dabei wird eine bestimmte Belastung vorgegeben und überprüft, ob bei
dieser Belastung übermäßige Spannungseinbrüche auftreten
oder nicht.
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Unterschreitet die gemessene Spannung
einen vorgegebenen Schwellenwert, dann ist die Leistungsfähigkeit
des Inselnetzes reduziert. Als Folge davon wird der elektrische
Zusatzverdichter 15 in eine Sonderbetriebsart gebracht,
in welcher die an ihn gestellten Anforderungen reduziert sind. Da
in dieser Sonderbetriebsart Einschränkungen der Motorleistung vorliegen,
wird dieser Zustand dem Fahrer des Kraftfahrzeugs in geeigneter
Weise signalisiert.
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Unter Verwendung einer Ruhespannungsmessung
im Inselnetz kann der Ladezustand der zweiten Batterie 2 ermittelt
werden. Ergibt diese Messung, dass der Ladezustand der zweiten Batterie 2 niedrig
ist, dann kann der Ladevorgang der zweiten Batterie 2 aus
dem Bordnetz 3 mit erhöhter
Priorität vorgenommen
und der elektrische Zusatzverdichter 15 in die Sonderbetriebsart
mit reduzierten Anforderungen überführt werden.
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In diese Sonderbetriebsart mit reduzierten Anforderungen
wird der elektrische Zusatzverdichter 15 auch dann gebracht,
wenn die Batteriezustandserkennung 18 einen Ausfall der
ersten Batterie 1 erkennt. In diesem Fall wird die zweite
Batterie 2 starr mit dem Bordnetz 3 verbunden,
so dass die fehlende Pufferwirkung der ersten Batterie 1 durch
die Pufferwirkung der zweiten Batterie 2 kompensiert wird.
Der Vorteil dieser Maßnahme
besteht darin, dass die Fahrzeugverfügbarkeit gesteigert ist. Die
Fahrtmöglichkeit
bis zur nächsten
Werkstatt ist gewährleistet.
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Nach alledem beschreibt die Erfindung
einen Weg, einen elektrischen Zusatzverdichter in ein Energiebordnetz
zu integrieren, ohne dass dessen Bordnetzunverträglichkeit, die bei einem herkömmlichen
Bordnetz besteht, in Erscheinung tritt. Dies wird im wesentlichen
dadurch erreicht, dass der elektrische Zusatzverdichter mit einem
zweiten Energiespeicher des Bordnetzes verbunden ist und zusammen
mit diesem Bestandteil eines Inselnetzes ist. Dieses steht über eine
steuerbare Lade- und Trenneinheit mit dem übrigen Bordnetz in Verbindung.
Je nach Bedarf kann das Inselnetz an das übrige Bordnetz angekoppelt
oder von diesem abgekoppelt werden. Das Wesen der Erfindung ist
auch auf den Betrieb anderer Hochleistungsverbraucher und auf Kombinationen
bestimmter Verbraucher übertragbar. Die
beiden Energiespeicher können
für den
jeweiligen Anwendungszweck optimiert ausgelegt werden.
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Es besteht auch die Möglichkeit,
das Inselnetz um weitere Verbraucher zu ergänzen, deren Eigenschaften den
im Inselnetz herrschenden Verhältnissen
gerecht werden.