DE10231517A1 - On-board motor vehicle electrical system has first coupling device with longitudinal regulator, e.g. in parallel with d.c. to d.c. converter for providing second voltage level for non-peak load - Google Patents

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Abstract

The on-board electrical system has first and second voltage levels (30,36) and a generator (10), whereby the voltage levels can be coupled together via a first coupling device (32,66) that contains a longitudinal regulator (32), which can be connected in parallel with a d.c. to d.c. converter (66). The d.c. to d.c. converter is configured to provide the second voltage level for a definable base load that does not correspond to the peak load. AN Independent claim is also included for the following: (a) a method of operating an inventive on-board electrical system for a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem ersten und einem zweiten Spannungsniveau und einem Generator, wobei das erste und das zweite Spannungsniveau über eine Koppelvorrichtung miteinander gekoppelt sind. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem ersten und einem zweiten Spannungsniveau und einem Generator, wobei das erste und das zweite Spannungsniveau über eine erste Koppelvorrichtung miteinander gekoppelt sind.The present invention relates to an electrical system for a motor vehicle with at least a first and a second Voltage level and a generator, the first and the second Voltage level above a coupling device are coupled together. It affects furthermore a method for operating an electrical system for a motor vehicle with at least a first and a second voltage level and a generator, the first and the second voltage level over a first coupling device are coupled together.

Ein derartiges aus dem Stand der Technik bekanntes Bordnetz ist in 1 dargestellt. Hierbei erzeugt ein Generator 10, der über eine Erregerspule 12 erregt wird, eine Spannung auf einem ersten Spannungsniveau 14, beispielsweise 14 V. Mit diesem Spannungsniveau 14 sind eine Batterie 16 sowie mehrere Verbraucher 18 verbunden, die eine Versorgung mit einer Spannung auf dem ersten Spannungsniveau fordern. Das erste Spannungsniveau 14 wird über einen DC/DC-Wandler auf ein zweites Spannungsniveau 22 gewandelt, beispielsweise 42 V. An dieses zweite Spannungsniveau 22 sind Verbraucher 24 angeschlossen, deren Betrieb einen Anschluss an das zweite Spannungsniveau 22 erfordert oder deren Betrieb dadurch zumindest begünstigt wird, beispielsweise eine Frontscheibenheizung. Es kann vorgesehen sein, einen Schalter 26 vorzusehen, um den Verbraucher 24 mit dem zweiten Spannungsniveau 22 zu verbinden. DC/DC-Wandler zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, weisen jedoch folgende Nachteile auf: Die zur Realisierung eines DC/DC-Wandlers benötigten Bauteile, wie zum Beispiel Glättungskondensatoren und Speicherspulen, sind für hohe Temperaturen nicht geeignet. Eine Kühlung über das Motorkühlwasser ist wegen des geringen Temperaturgefälles kritisch. Sie erfordern einen hohen Aufwand für die Entstörung, da hohe Ströme mit sehr steilen Flanken geschaltet werden müssen. Schließlich sind sie sehr teuer, da die Baugröße auf die Maximalleistung auszulegen ist, obwohl diese in einem Kraftfahrzeug nur für einen sehr kurzen Zeitraum auftritt.Such an on-board electrical system known from the prior art is shown in 1 shown. Here, a generator generates 10 that has an excitation coil 12 is excited, a voltage at a first voltage level 14 , for example 14 V. With this voltage level 14 are a battery 16 as well as several consumers 18 connected, which require a supply with a voltage at the first voltage level. The first level of tension 14 to a second voltage level via a DC / DC converter 22 changed, for example 42 V. At this second voltage level 22 are consumers 24 connected, the operation of which connects to the second voltage level 22 requires or whose operation is at least favored thereby, for example a windscreen heater. It can be provided a switch 26 to provide to the consumer 24 with the second voltage level 22 connect to. DC / DC converters are characterized by high efficiency, but have the following disadvantages: The components required to implement a DC / DC converter, such as smoothing capacitors and storage coils, are not suitable for high temperatures. Cooling via the engine cooling water is critical because of the low temperature gradient. They require a high level of interference suppression, since high currents with very steep edges have to be switched. Finally, they are very expensive because the size is to be designed for the maximum output, although this only occurs in a motor vehicle for a very short period of time.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Bordnetz der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass es kostengünstig realisiert werden kann und dennoch robust ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung das eingangs genannte Verfahren entsprechend weiterzubilden.The object of the present invention therefore consists in such an on-board electrical system of the type mentioned educate that it's inexpensive can be realized and is nevertheless robust. It is still Object of the present invention, the method mentioned to train accordingly.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Bordnetz mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 16.These tasks are solved by an electrical system with the features of claim 1 and a method with the features of claim 16.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Längsregler robust sind und die dafür benötigten Bauteile auch bei großer Temperaturstabilität kostengünstig beschafft werden können. Längsregler können über das Motorkühlwasser gekühlt werden können, da infolge der höheren Verlustleistung eines Längsreglers ein ausreichendes Temperaturgefälle vorliegt. Schließlich haben sie aufgrund der analogen, stufenlosen Regelung eine geringe Störabstrahlung.The invention is based on the knowledge underlying that series regulator are robust and they are required components even with large ones temperature stability economical can be obtained. linear regulators can about that Engine cooling water chilled can be as a result of the higher Power loss of a series regulator there is a sufficient temperature gradient. Finally they have a low level due to the analog, stepless control Noise emission.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist dem Längsregler ein DC/DC-Wandler parallelgeschaltet. Dies eröffnet die Möglichkeit, den DC/DC-Wandler auszulegen, das zweite Spannungsniveau für eine vorgebbare Bordgrundlast, die nicht der Spitzenlast entspricht, bereitzustellen. Die Bordgrundlast beträgt gewöhnlich nur 20 bis 40 %, insbesondere 30 % der Spitzenlast. Dadurch kann der DC/DC-Wandler geringer und damit kostengünstiger dimensioniert werden als bei der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösung. Die Spitzenlast, die nur selten auftritt, wird dann über den verlustbehafteten Längsregler versorgt. Der Längsregler kann ebenfalls geringer dimensioniert wer den, da er nur ausgelegt werden braucht, die Differenz zwischen Bordgrundlast und Spitzenlast bereitzustellen.In a particularly preferred embodiment, a DC / DC converter is connected in parallel with the series regulator. This opens up the possibility of designing the DC / DC converter to provide the second voltage level for a predeterminable on-board base load that does not correspond to the peak load. The on-board base load is usually only 20 to 40%, especially 30% of the peak load. As a result, the DC / DC converter can be dimensioned smaller and thus more cost-effectively than in connection with 1 described solution known from the prior art. The peak load, which occurs only rarely, is then supplied via the lossy series regulator. The series regulator can also be made smaller, since it only needs to be designed to provide the difference between the on-board base load and the peak load.

Bevorzugt umfasst das Bordnetz weiterhin eine erste Regelvorrichtung, die den Längsregler unter Berücksichtigung der gegenwärtigen und/oder zukünftigen Belastung des zweiten Spannungsniveaus ansteuert, und zwar so, daß das zweite Spannungsniveau möglichst keinen Spannungseinbruch erfährt.The electrical system preferably further comprises one first control device taking into account the series regulator the current and / or future Controlled loading of the second voltage level, so that the second Voltage level if possible does not experience a voltage drop.

Die erste Regelvorrichtung kann ausgelegt sein, die Temperatur der Batterie, die an das zweite Spannungsniveau gekoppelt ist, zu berücksichtigen. Beispielsweise wird bei höherer Temperatur das zweite Spannungsniveau geringfügig angehoben.The first control device can be designed the temperature of the battery coupled to the second voltage level is taken into account. For example becomes higher Temperature slightly raised the second voltage level.

Bevorzugt umfasst das Bordnetz weiterhin eine zweite Regelvorrichtung, die ausgelegt ist, das erste Spannungsniveau, insbesondere durch entsprechende Ansteuerung des Generators, einzustellen. Werden an das erste Spannungsniveau nur Verbraucher angeschlossen, bei denen Spannungsschwankungen zu keinen Funktionsbeeinträchtigungen führen, sondern lediglich zu Komfortnachteilen, beispielsweise eine PTC-Heizung oder eine Frontscheibenheizung, so ergibt sich ein großer Regelbereich für das vom Generator bereitzustellende erste Spannungsniveau, beispielsweise ein Bereich von 14 bis 42 V.The electrical system preferably further comprises one second control device, which is designed, the first voltage level, in particular by appropriate control of the generator. If only consumers are connected to the first voltage level, where voltage fluctuations do not impair functionality to lead, but only for comfort disadvantages, for example a PTC heater or a windscreen heater, there is a large control range for the first voltage level to be provided by the generator, for example a range from 14 to 42 V.

Eine Gruppe von besonders bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kapazität, insbesondere über eine zweite Koppelvorrichtung, an das erste Spannungsniveau gekoppelt ist. Die zweite Regelvorrichtung kann hierbei ausgelegt sein, das erste Spannungsniveau zu erhöhen, wenn Information über einen demnächst stattfindenden Einschaltvorgang eines Verbrauchers vorliegt, derart, dass das erste Spannungsniveau bereits vor dem Einschaltvorgang erhöht ist. Die vor dem Einschaltvorgang noch nicht benötigte Energie wird im Längsregler in Verlustleistung umgesetzt. Das Energienetz ist jedoch sozusagen auf ein höheres Niveau aufgeladen. Beim tatsächlichen Schaltvorgang kann dann diese Energie schlagartig abgerufen werden, da der Längsregler seinen Widerstand und damit sei ne Leistung hochdynamisch verändern kann. Insbesondere ist die Regelungsdynamik des Längsreglers deutlich höher als die des Generators. Damit wird die Stabilität des zweiten Spannungsniveaus selbst bei hohen Einschaltströmen sichergestellt.A group of particularly preferred developments is characterized in that a capacitance, in particular via a second coupling device, is coupled to the first voltage level. The second control device can be designed to increase the first voltage level hen, if there is information about a consumer switching-on process that will take place soon, such that the first voltage level is already increased before the switching-on process. The energy not required before the switch-on process is converted into power loss in the series regulator. However, the energy network is charged to a higher level, so to speak. During the actual switching process, this energy can then be called up abruptly, since the series regulator can change its resistance and thus its power in a highly dynamic manner. In particular, the control dynamics of the series regulator are significantly higher than those of the generator. This ensures the stability of the second voltage level even at high inrush currents.

Die zweite Regelvorrichtung ist vorteilhafterweise ausgelegt, das erste Spannungsniveau auch dann zu erhöhen, wenn eine Aufheizung des Motorkühlwassers und/oder eines Fahrgastraums, insbesondere in einer Motoraufheizphase, gewünscht ist, wobei der Längsregler mit einer Wärmetauschvorrichtung gekoppelt ist, und/oder in einer Schubphase des Kraftfahrzeugs. Die im Längsregler umgesetzte Verlustleistung wird dabei bewusst erhöht, um sie zu Heizzwecken zur Verfügung zu stellen. In einer Schubphase des Kraftfahrzeugs resultiert die Anhebung des ersten Spannungsniveaus darin, dass eine erhöhte Bremswirkung realisiert werden kann. Insbesondere kann die erwähnte Kapazität in einer Schubphase des Kraftfahrzeugs auf den erhöhten Wert des ersten Spannungsniveaus geladen werden.The second control device is advantageous designed to increase the first voltage level even if heating the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in an engine warm-up phase, required is, the series regulator with a heat exchange device is coupled, and / or in an overrun phase of the motor vehicle. The in the regulator implemented power loss is deliberately increased to them available for heating purposes to deliver. This results in a push phase of the motor vehicle Raising the first voltage level in that an increased braking effect can be realized. In particular, the capacity mentioned can be in one Thrust phase of the motor vehicle to the increased value of the first voltage level Loading.

Die zweite Regelvorrichtung kann jedoch auch ausgelegt sein, das erste Spannungsniveau unabhängig von einer Schubphase zu erhöhen, wenn die Kapazität geladen werden soll. Das zweite Koppelelement ist insbesondere dann geschlossen, wenn die Spannung der Kapazität unter ihrer Sollspannung liegt und das erste Spannungsniveau erhöht ist, um den Kondensator zu laden. Sie ist weiterhin geschlossen, wenn das zweite Spannungsniveau unter einen vorgebbaren Sollwert absinkt, beispielsweise beim Einschalten von an das zweite Spannungsniveau angeschlossenen Verbrauchern, die eine vorgebbare Leistungsaufnahme überschreiten, deren Einschalten jedoch vorher nicht angekündigt werden kann. Dabei wird der Kondensator entladen und dient zur Stützung des zweiten Spannungsniveaus. Hingegen ist das zweite Koppelelement geöffnet, wenn die Spannung an der Kapazität größer als ein vorgebbarer Sollwert ist und das zweite Spannungsniveau stabil ist. Mit dem Zuschalten der Kapazität wird auch die Dynamik des Generators erhöht, da dadurch die Erregerspule schneller geladen werden kann. Die Ladezeit der Erregerspule ist eine Maschinenkonstante und kann durch eine Spannungserhöhung verkürzt werden. Dies erlaubt im Gegenzug die Verwendung einer kleineren Kapazität, da durch die Verwendung einer Kapazität überhaupt der Generator schneller nachregeln kann und damit den Strom für die neu zugeschalteten Verbraucher liefern kann. Der Kondensator ist bevorzugt ein Elektrolytkondensator oder ein sogenannter Superkondensator, das heißt ein Doppelschichtkondensator.The second control device can however, also be designed to be independent of the first voltage level to increase an overrun phase if the capacity should be loaded. The second coupling element is then particularly closed when the voltage of the capacitance is below its target voltage lies and the first voltage level is increased to the capacitor to load. It is still closed when the second voltage level is below a predefinable setpoint drops, for example when switching on of consumers connected to the second voltage level, which exceed a predefinable power consumption, their switching on however not be announced beforehand can. The capacitor is discharged and serves to support the second voltage levels. In contrast, the second coupling element open, when the voltage on the capacitance bigger than one specifiable setpoint and the second voltage level is stable. By switching on the capacity the dynamics of the generator is also increased, as this causes the excitation coil can be loaded faster. The charging time of the excitation coil is a machine constant and can be shortened by increasing the voltage. In turn, this allows the use of a smaller capacity because of the use of a capacity at all the generator can readjust faster and thus the electricity for the new can supply connected consumers. The capacitor is preferred an electrolytic capacitor or a so-called supercapacitor, this means a double layer capacitor.

Bei einer Dimensionierung der Kapazität auf 30 F und einem Bordnetz mit einem ersten Spannungsniveau von 42 V und einem zweiten Spannungsniveau von 14 V ergab sich für die Kapazität ein Energieinhalt von 24.000 Ws, wodurch gemessen an einer durchschnittlichen Lebensdauer von 500.000 Ladezyklen 1.600 l Benzin eingespart werden konnten. Dies entspricht einer Einsparung von 0,3 l pro 100 km bei einem Dieselmotor sowie 0,4 l pro 100 km für einen Ottomotor.If the capacity is dimensioned to 30 F and an electrical system with a first voltage level of 42 V and A second voltage level of 14 V resulted in an energy content for the capacitance of 24,000 Ws, which means an average lifespan 1,600 l of gasoline could be saved from 500,000 charging cycles. This corresponds to a saving of 0.3 l per 100 km for one Diesel engine and 0.4 l per 100 km for a petrol engine.

Die erste Regelvorrichtung liefert bevorzugt eine Sollwertvorgabe an den Generator, der abhängig ist vom Betriebszustand des Fahrzeugs. Im Normalbetrieb ist die Vorgabe an den Generator die Einstellung einer Spannung, bei der das zweite Spannungsniveau etwa dem ersten Spannungsniveau entspricht, das heißt die im Längsregler umgesetzte Verlustleistung ist nahezu null. Im Heiz- und/oder Schubbetrieb und bei Unterspannung in dem Bordnetzabschnitt, der auf dem zweiten Spannungsniveau liegt, ist der an den Generator vorgegebene Spannungssollwert so hoch wie möglich, jedoch nicht höher als eine zulässige Nennspannung. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die zulässige Verlustleistung im Längsregler nicht überschritten wird.The first control device delivers preferably a setpoint input to the generator, which is dependent the operating condition of the vehicle. The default is in normal operation to the generator setting a voltage at which the second Voltage level corresponds approximately to the first voltage level that is called that in the series regulator implemented power loss is almost zero. In heating and / or overrun mode and in the event of undervoltage in the electrical system section that is on the second Voltage level, is the voltage setpoint given to the generator as high as possible, however not higher as a permissible Nominal voltage. Furthermore, it must be taken into account that the permissible power loss in the series regulator not exceeded becomes.

Durch den Längsregler ließ sich eine Schnellheizfunktion bis 3 kW realisieren. Bei Anschluss der Energieversorgung an einen elektischen Turbo (sog. E-Turbo) wurde durch die Bereitstellung der Energie aus der Kapazität das gefürchtete Turboloch vermieden und ein gleichmäßiger Momentenaufbau schon bei niedriger Drehzahl erreicht. Die in einer derartigen Kapazität gespeicherte Energie kann auch beispielsweise zur Versorgung einer elektrischen Lenkung, insbesondere für Achslasten größer 1.100 kg, verwendet werden.A quick heating function was possible with the linear regulator realize up to 3 kW. When connecting the power supply to one electric turbo (so-called e-turbo) was made available by Energy from capacity the dreaded Avoid turbo lag and even torque build-up reached at low speed. The one stored in such capacity Energy can also be used, for example, to supply electrical power Steering, especially for Axle loads greater than 1,100 kg can be used.

Bevorzugt wird weiterhin an das erste Spannungsniveau ein DC/AC-Wandler angeschlossen, über den eine Wechselspannung auf einem Festnetzniveau, insbesondere eine Spannung mit 220 V, bereitstellbar ist. In Praxistests wurden Leistungsabgaben bis zu 2 kW ermöglicht.Preference is also given to the first Voltage level connected to a DC / AC converter via the an AC voltage at a fixed network level, especially one Voltage with 220 V can be provided. Performance tests were carried out in practical tests enables up to 2 kW.

Wie für den Fachmann offensichtlich, lassen sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz erwähnten Weiterbildungen und Vorteile auf das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechender Weise übertragen.As is obvious to the expert, can be in connection with the electrical system according to the invention mentioned Developments and advantages of the inventive method transferred in a corresponding manner.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments result from the subclaims.

Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:Exemplary embodiments will now be described below the invention with reference to the accompanying drawings. They represent:

1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten und einem zweiten Spannungsniveau und einem Generator; 1 a be from the prior art Known electrical system for a motor vehicle with a first and a second voltage level and a generator;

2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bordnetzes; 2 a first embodiment of an electrical system according to the invention;

3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bordnetzes; 3 a second embodiment of an electrical system according to the invention;

4 in schematischer Darstellung die Generatorleistung über der Motordrehzahl für ein festes und ein variables Spannungsniveau; 4 a schematic representation of the generator power over the engine speed for a fixed and a variable voltage level;

5 in schematischer Darstellung den Generatorwirkungsgrad in Abhängigkeit der Motordrehzahl für ein festes und ein variables Spannungsniveau; und 5 a schematic representation of the generator efficiency as a function of the engine speed for a fixed and a variable voltage level; and

6 in schematischer Darstellung in Abhängigkeit des Generatorstroms den Verlauf der Spannung am Längsregler sowie den Verlauf der Verlustleistung. 6 the course of the voltage at the series regulator as well as the course of the power loss in a schematic representation depending on the generator current.

Im Nachfolgenden werden für gleiche und gleichwirkende Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwendet.The following are for same and components having the same effect use the same reference numerals.

2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bordnetzes. Ein Generator 10 wird über eine von einer ersten Regelvorrichtung 28 angesteuerte Erregerspule 12 erregt und kann an seinem Ausgang eine Spannung in einem Bereich zwischen 14 V und 42 V bereitstellen. Eine Frontscheibenheizung 24 kann durch Schließen eines Schalters 26 mit diesem ersten Spannungsniveau 30 verbunden werden. Das erste Spannungsniveau 30 ist außerdem mit dem Eingang eines Längsreglers 32 verbunden, der mittels einer zweiten Regelvorrichtung 34 kontinuierlich zwischen offen und geschlossen geregelt werden kann. Im offenen Zustand des Längsreglers 32 entspricht die Spannung am Ausgang in etwa der Spannung am Eingang. Im teilweise geschlossenen Zustand ist die Spannung am Ausgang kleiner als die Spannung am Eingang. Am Ausgang des Längsreglers 32 wird ein zweites Spannungsniveau 36 bereitgestellt, das ca. 14 V beträgt und beispielsweise mit einer Fahrzeugbatterie 16, über einen Schalter 38 mit einem Startermotor 40 und mit 14 V Verbrauchern 18 verbunden ist. An das zweite Spannungsniveau 36 sind vor allem derartige Verbraucher angeordnet, die aus Sicherheits- und Komfortgründen eine stabile Spannungsversorgung benötigen. Die Spannung darf bei diesen Verbrauchern auch kurzzeitig nicht unter einen Wert von zum Beispiel 12, 55 V abfallen. Hierzu zählen Motorverbraucher, beispielsweise Zündung, Benzin, Motorsteuergerät, Beleuchtung, Innengebläse, Audio-Anlage, elektrische Lenkung, elektrische Bremse, elektrisches Stabilitätsprogramm, Antiblockiersystem, Batterie und Starter. Eine Steuervorrichtung 42 misst die am Längsregler 32 umgesetzte Verlustleistung sowie die augenblickliche Spannung des zweiten Spannungsniveaus 36. Über die Leitung 44 gibt sie einer Regelvorrichtung 28 einen Sollwert für die am Ausgang des Generators 10 bereitzustellende Spannung 30 vor. Überdies erhält eine Regelvorrichtung 34 über die Leitung 46 von der Steuervorrichtung 42 Information von der am Längsregler umgesetzten Verlustleistung und berücksichtigt dies bei der Steuerung des Längsreglers. Die Regelvorrichtung 34 erfasst über die Leitung 48 den Istwert des zweiten Spannungsniveaus 36 und bezieht diesen in die Regelung ein. Über einen DC/AC-Wandler 68, der mit dem ersten Spannungniveau 30 verbunden ist, wird eine Wechselspannung mit 220 V bereitgestellt. 2 shows a first embodiment of an electrical system according to the invention. A generator 10 is via a first control device 28 controlled excitation coil 12 excited and can provide a voltage in a range between 14 V and 42 V at its output. A windscreen heater 24 can by closing a switch 26 with this first level of tension 30 get connected. The first level of tension 30 is also with the input of a series regulator 32 connected by means of a second control device 34 can be regulated continuously between open and closed. In the open state of the series regulator 32 the voltage at the output corresponds approximately to the voltage at the input. In the partially closed state, the voltage at the output is less than the voltage at the input. At the output of the series regulator 32 becomes a second level of tension 36 provided that is approximately 14 V and for example with a vehicle battery 16 , via a switch 38 with a starter motor 40 and with 14 V consumers 18 connected is. The second level of tension 36 such consumers are arranged above all, which require a stable voltage supply for safety and comfort reasons. For these consumers, the voltage may not briefly fall below a value of, for example 12 , 55 V drop. These include engine consumers, e.g. ignition, petrol, engine control unit, lighting, interior blower, audio system, electric steering, electric brake, electric stability program, anti-lock braking system, battery and starter. A control device 42 measures the on the series regulator 32 implemented power loss and the instantaneous voltage of the second voltage level 36 , About the line 44 gives it to a control device 28 a setpoint for that at the output of the generator 10 voltage to be provided 30 in front. In addition, a control device is provided 34 over the line 46 from the control device 42 Information about the power loss implemented on the series regulator and takes this into account when controlling the series regulator. The control device 34 recorded via the line 48 the actual value of the second voltage level 36 and includes this in the regulation. Via a DC / AC converter 68 that with the first voltage level 30 connected, an AC voltage of 220 V is provided.

Die Steuervorrichtung 42 ist überdies ausgelegt, einen Schalter 54 zu bedienen, mit dem ein PTC-Heizelement 56 mit dem ersten Spannungsniveau 30 verbunden werden kann, sowie einen Schalter 58, mit dem ein Kondensator 60 mit dem ersten Spannungsniveau 30 verbunden werden kann. Mit dem Längsregler 32 ist thermisch leitend eine Wasserkühlung 52 verbunden, die zur Aufheizung des Motorkühlwassers oder des Fahrgastraums Verwendung finden kann.The control device 42 is also designed to be a switch 54 to operate with a PTC heating element 56 with the first voltage level 30 can be connected, as well as a switch 58 with which a capacitor 60 with the first voltage level 30 can be connected. With the linear regulator 32 is thermally conductive a water cooling 52 connected, which can be used to heat the engine cooling water or the passenger compartment.

Die Regelvorrichtung 34 ist ausgelegt, bei der Einstellung des zweiten Spannungsniveaus 36 die Temperatur der Batterie 16 zu berücksichtigen.The control device 34 is designed when setting the second voltage level 36 the temperature of the battery 16 to consider.

Die Regelvorrichtung 28 ist ausgelegt, das erste Spannungsniveau 30 zu erhöhen, wenn Information vorliegt, beispielsweise über eine Leitung 64 in der Steuervorrichtung 42, über einen demnächst stattfindenden Einschaltvorgang eines mit dem zweiten Spannungsniveau 36 verbundenen Verbrauchers mit hohem Einschaltstrom, derart, dass das erste Spannungsniveau 30 bereits vor dem Einschaltvorgang erhöht ist. Die Regelvorrichtung 28 ist insbesondere ausgelegt, das erste Spannungsniveau auch dann zu erhöhen, wenn eine Aufheizung des Motorkühlwassers und/oder eines Fahrgastraums, insbesondere in einer Motoraufheizphase, gewünscht ist oder in einer Schubphase des Kraftfahrzeugs. Dadurch fällt einerseits mehr Verlustleistung am Längsregler 32 ab, die über die Wasserkühlung 52 für Heizvorgänge verwendet werden kann, andererseits kann durch das erhöhte erste Spannungsniveau und Schließen des Schalters 54 ein PTC-Heizelement 56 wirkungsvoll für eine zusätzliche Aufheizung Anwendung finden. Solange das erste Spannungsniveau 30 erhöht ist, kann durch Schließen des Schalters 58 ein Aufladen des Kondensators 60 bewirkt werden. Da der Längs regler 32 über die Regelvorrichtung 34 wesentlich dynamischer geregelt werden kann als der Generator 10 über die Erregerspule 12, kann bei Einschalten eines Verbrauchers 18, der einen hohen Strombedarf hat, ein Abfallen des zweiten Spannungsniveaus 36 verhindert oder diesem zumindest entgegengewirkt werden, wenn zu diesem Zeitpunkt der Schalter 58 geschlossen wird, so dass sich der Kondensator 60 entladen kann. Ein Absinken des Spannungsniveaus 36 wird von der Steuervorrichtung 42 über die Leitung 62 registriert.The control device 28 is designed the first voltage level 30 increase if information is available, for example via a line 64 in the control device 42 , about an upcoming switching-on process with the second voltage level 36 connected consumer with high inrush current, such that the first voltage level 30 is increased before the switch-on process. The control device 28 is in particular designed to increase the first voltage level even if heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment is desired, in particular in an engine warm-up phase, or in an overrun phase of the motor vehicle. On the one hand, this causes more power loss at the series regulator 32 from that on water cooling 52 can be used for heating processes, on the other hand, due to the increased first voltage level and closing of the switch 54 a PTC heating element 56 can be used effectively for additional heating. As long as the first voltage level 30 can be increased by closing the switch 58 charging the capacitor 60 be effected. Because the longitudinal regulator 32 via the control device 34 can be regulated much more dynamically than the generator 10 over the excitation coil 12 , when switching on a consumer 18 , which has a high current requirement, a drop in the second voltage level 36 prevented or at least counteracted this, if at this time the switch 58 is closed so that the capacitor 60 can discharge. A decrease in the voltage level 36 is from the control device 42 over the line 62 registered.

Sofern Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme eingeschaltet werden, deren Einschalten vorhergesagt werden kann, so wird die Steuervorrichtung 42 ebenfalls über die Leitung 64, beispielsweise einen CAN-Bus, davon in Kenntnis gesetzt und bewirkt über die Leitung 44 und eine entsprechende Ansteuerung der Regelvorrichtung 28, eine Erhöhung des ersten Spannungsniveaus 30. Wird nun der leistungsstarke Verbraucher eingeschaltet, kann durch dynamische Regelung des Längsreglers 32 darauf reagiert werden, das heißt es können Schwankungen des zweiten Spannungsniveaus 36 wirksam vermieden werden. Der Längsregler 32 kann beispielsweise, wie in 2 angedeutet, durch einen Transistor realisiert werden, dessen Steuerelektrode an die Regelvorrichtung 34 gekoppelt ist.If consumers with high power consumption are switched on, the switching on of which can be predicted, the control device 42 also over the line 64 , for example a CAN bus, informed of this and operates via the line 44 and a corresponding control of the control device 28 , an increase in the first voltage level 30 , If the powerful consumer is now switched on, dynamic control of the series regulator can be used 32 be reacted to, i.e. there may be fluctuations in the second voltage level 36 be effectively avoided. The series regulator 32 can, for example, as in 2 indicated, can be realized by a transistor, the control electrode of the control device 34 is coupled.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bordnetzes entspricht im Wesentlichen der in 2 dargestellten Ausführungsform. Es soll deshalb nur auf die Unterschiede eingegangen werden. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist dem Längsregler 32 ein DC/DC-Wandler 66 parallelgeschaltet. Er ist überdies über eine Leitung 46b mit der Steuervorrichtung 42 gekoppelt. Der DC/DC-Wandler ist ausgelegt, das zweite Spannungsniveau 36 für eine vorgebbare Bordnetzgrundlast bereitzustellen. Die Spitzenlast, die nur selten auftritt, wird über den Längsregler 32 versorgt. Eine Priorisierung der Energieströme wird durch die Steuervorrichtung 42 über entsprechende Ansteuerung der Regelvorrichtung 34 sowie des DC/DC-Wandlers 66 über die Leitungen 46 beziehungsweise 46b vorgenommen. Ergänzend kann ein Überspannungsschutz vorgesehen werden, der die Spannung des zweiten Spannungsniveaus 36 misst und bei einem außerplanmäßigen Ansteigen dieses durch entsprechende Ansteuerung des Generators 10 über die Regelvorrichtung 28 auf 14 V begrenzt.In the 3 The embodiment of an on-board electrical system according to the invention essentially corresponds to that in 2 illustrated embodiment. Therefore, only the differences should be dealt with. At the in 3 The embodiment shown is the series regulator 32 a DC / DC converter 66 connected in parallel. He is also on a line 46b with the control device 42 coupled. The DC / DC converter is designed, the second voltage level 36 to provide for a predefinable electrical system base load. The peak load, which occurs only rarely, is via the series regulator 32 provided. The control device prioritizes the energy flows 42 via appropriate control of the control device 34 and the DC / DC converter 66 over the lines 46 respectively 46b performed. In addition, an overvoltage protection can be provided, the voltage of the second voltage level 36 measures and in the event of an unscheduled increase this by appropriate control of the generator 10 via the control device 28 limited to 14 V.

4 zeigt die Abhängigkeit der Generatorleistung P in Abhängigkeit der Motordrehzahl für ein Bordnetz mit einem festen Spannungsniveau von 14 V, Kurvenzug a), sowie für ein Bordnetz mit einer Spannung, die zwischen 14 V und 42 V frei variierbar ist, Kurvenzug b). Aus dem Verlauf der Kurvenzüge ist zu erkennen, dass mit dem Bordnetz mit variabler Spannung bei gleicher Motordrehzahl höhere Generatorleistungen erzielbar sind als bei einem Bordnetz mit festem Spannungsniveau. 4 shows the dependency of the generator power P as a function of the engine speed for an electrical system with a fixed voltage level of 14 V, curve a), and for an electrical system with a voltage that can be freely varied between 14 V and 42 V, curve b). It can be seen from the course of the curves that higher generator outputs can be achieved with the on-board electrical system with variable voltage at the same engine speed than with an on-board electrical system with a fixed voltage level.

5 zeigt den Verlauf des Generatorwirkungsgrads in Abhängigkeit der Motordrehzahl, wiederum für ein Bordnetz mit festem Spannungsniveau, Kurvenzug a), sowie ein Bordnetz mit variablem Spannungsniveau, Kurvenzug b). Wie sich dem Kurvenzug b) entnehmen lässt, kann bei einem Bordnetz mit variablem Spannungsniveau der Generator fast immer mit einem Wirkungsgrad von mehr als 75 % betrieben werden. 5 shows the course of the generator efficiency depending on the engine speed, again for an on-board electrical system with a fixed voltage level, curve a), and an on-board electrical system with a variable voltage level, curve b). As can be seen from curve b), the generator can almost always be operated with an efficiency of more than 75% in a vehicle electrical system with a variable voltage level.

6 zeigt zunächst die am Längsregler abfallende Spannung ULR, Kurvenzug a), über dem Generatorstrom IG. Hierbei ist zu erkennen, dass im Hinblick auf die maximale Verlustleistung PV max von 1500 W, die der Längsregler abgeben kann, bei einem Strom von über 53 A die am Längsregler abfallende Spannung ULR von 28 V allmählich auf 10 V abgesenkt werden muss, um eine Zerstörung des Längsreglers zu verhindern. Weiterhin kann 6 der Verlauf der Verlustleistung PV max, Kurvenzug b), über dem Generatorstrom entnommen werden. 6 first shows the voltage U LR , curve a) falling across the series regulator, over the generator current I G. It can be seen here that in view of the maximum power loss P V max of 1500 W which the series regulator can deliver, the current U LR dropping from 28 V to 28 V at a current of over 53 A must be gradually reduced to 10 V, to prevent destruction of the series regulator. Furthermore can 6 the course of the power loss P V max , curve b), are taken from the generator current.

Claims (21)

Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem ersten und einem zweiten Spannungsniveau (30, 36) und einem Generator (10), wobei das erste und das zweite Spannungsniveau (30, 36) über eine erste Koppelvorrichtung (32, 66) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Koppelvorrichtung einen Längsregler (32) umfasst.Vehicle electrical system for a motor vehicle with at least a first and a second voltage level ( 30 . 36 ) and a generator ( 10 ), the first and the second voltage level ( 30 . 36 ) via a first coupling device ( 32 . 66 ) are coupled to one another, characterized in that the first coupling device has a series regulator ( 32 ) includes. Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Längsregler (32) ein DC/DC-Wandler (66) parallelgeschaltet ist.Vehicle electrical system according to claim 1, characterized in that the series regulator ( 32 ) a DC / DC converter ( 66 ) is connected in parallel. Bordnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (66) ausgelegt ist, das zweite Spannungsniveau (36) für eine vorgebbare Bordgrundlast, die nicht der Spitzenlast entspricht, bereitzustellen.Vehicle electrical system according to claim 1 or 2, characterized in that the DC / DC converter ( 66 ) is designed, the second voltage level ( 36 ) for a predeterminable on-board base load that does not correspond to the peak load. Bordnetz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordgrundlast 20 bis 40%, insbesondere 30%, der Spitzenlast beträgt.Vehicle electrical system according to claim 3, characterized in that the on-board base load 20 up to 40%, in particular 30%, of the peak load. Bordnetz nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsregler (32) ausgelegt ist, die Differenz zwischen Bordgrundlast und Spitzenlast bereitzustellen.Vehicle electrical system according to one of claims 3 or 4, characterized in that the series regulator ( 32 ) is designed to provide the difference between the on-board base load and the peak load. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine erste Regelvorrichtung (34) umfasst, die den Längsregler (32) unter Berücksichtigung der gegenwärtigen und/oder zukünftigen Belastung des zweiten Spannungsniveaus (36) ansteuert.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a first control device ( 34 ) which includes the series regulator ( 32 ) taking into account the current and / or future load of the second voltage level ( 36 ) controls. Bordnetz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Regelvorrichtung (34) ausgelegt ist, die Temperatur der Batterie (16), die an das zweite Spannungsniveau (36) gekoppelt ist, zu berücksichtigen.Vehicle electrical system according to claim 6, characterized in that the first control device ( 34 ) is designed, the temperature of the battery ( 16 ) connected to the second voltage level ( 36 ) is to be taken into account. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine zweite Regelvorrichtung (28, 42) umfasst, die ausgelegt ist, das erste Spannungsniveau (30), insbesondere durch entsprechende Ansteuerung des Generators (10), einzustellen.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a second control device ( 28 . 42 ) which is designed to meet the first voltage level ( 30 ), in particular by appropriate control of the generator ( 10 ). Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das erste Spannungsniveau (30) eine Kapazität (60) gekoppelt ist.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that the first voltage level ( 30 ) a capacity ( 60 ) is coupled. Bordnetz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (60) über eine zweite Koppelvorrichtung (58) an das erste Spannungsniveau (30) gekoppelt ist.Vehicle electrical system according to claim 9, characterized in that the capacity ( 60 ) via a second coupling device ( 58 ) to the first voltage level ( 30 ) is coupled. Bordnetz nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelvorrichtung (28, 42) ausgelegt ist, das erste Spannungsniveau (30) zu erhöhen, wenn die zweite Regelvorrichtung (28) Information über einen demnächst stattfindenden Einschaltvorgang eines Verbrauchers erhält, derart, dass das erste Spannungsniveau (30) bereits vor dem Einschaltvorgang erhöht ist.Vehicle electrical system according to one of claims 8 to 10, characterized in that the second control device ( 28 . 42 ) is designed, the first voltage level ( 30 ) if the second control device ( 28 ) Receives information about a consumer switching-on process that will take place in such a way that the first voltage level ( 30 ) is increased before switching on. Bordnetz nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelvorrichtung (28) ausgelegt ist, das erste Spannungsniveau (30) zu erhöhen, wenn eine Aufheizung des Motorkühlwassers und/oder eines Fahrgastraums, insbesondere in einer Motoraufheizphase, gewünscht ist, wobei der Längsregler (32) mit einer Wärmetauschvorrichtung (52) gekoppelt ist, und/oder in einer Schubphase des Kraftfahrzeugs.Vehicle electrical system according to one of claims 8 to 11, characterized in that the second control device ( 28 ) is designed, the first voltage level ( 30 ) to increase if heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in an engine warm-up phase, is desired, the longitudinal regulator ( 32 ) with a heat exchange device ( 52 ) is coupled, and / or in an overrun phase of the motor vehicle. Bordnetz nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelvorrichtung (28) ausgelegt ist, das erste Spannungsniveau (30) zu erhöhen, wenn die Kapazität (60) geladen werden soll.Vehicle electrical system according to one of claims 8 to 12, characterized in that the second control device ( 28 ) is designed, the first voltage level ( 30 ) increase when the capacity ( 60 ) should be loaded. Bordnetz nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelvorrichtung (28) ausgelegt ist, bei der Einstellung des ersten Spannungsniveaus (30) die im Längsregler (32) umgesetzte Verlustleistung zu berücksichtigen.Vehicle electrical system according to one of claims 8 to 13, characterized in that the second control device ( 28 ) is designed when setting the first voltage level ( 30 ) in the series regulator ( 32 ) to take into account implemented power loss. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das erste Spannungsniveau ein DC/AC-Wandler (68) angeschlossen ist, über den Spannung auf einem Festnetzniveau, insbesondere eine Spannung mit 220 V, bereitstellbar ist.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that a DC / AC converter ( 68 ) is connected, via which voltage at a fixed network level, in particular a voltage of 220 V, can be provided. Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem ersten und einem zweiten Spannungsniveau (30, 36) und einem Generator (10), wobei das erste und das zweite Spannungsniveau (30, 36) über eine erste Koppelvorrichtung (32, 66) miteinander gekoppelt sind, die einen Längsregler (32) umfasst, und Energie für das zweite Spannungsniveau (36) zumindest zeitweise über den Längsregler (32) bereitgestellt wird.Method for operating an electrical system for a motor vehicle with at least a first and a second voltage level ( 30 . 36 ) and a generator ( 10 ), the first and the second voltage level ( 30 . 36 ) via a first coupling device ( 32 . 66 ) are coupled to each other, which have a series regulator ( 32 ) and energy for the second voltage level ( 36 ) at least temporarily via the series regulator ( 32 ) provided. Verfahren nach Anspruch 16, wobei dem Längsregler (32) ein DC/DC-Wandler (66) parallelgeschaltet ist, folgende Schritte umfassend: a) Bereitstellung von Energie für das zweite Spannungsniveau (36) für eine vorgebbare Bordgrundlast, die nicht der Spitzenlast entspricht, über den DC/DC-Wandler (66); b) Bereitstellung von Energie für das zweite Spannungsniveau (36) für eine Differenz zwischen der Bordgrundlast und der Spitzenlast über den Längsregler (32).The method of claim 16, wherein the series regulator ( 32 ) a DC / DC converter ( 66 ) is connected in parallel, comprising the following steps: a) provision of energy for the second voltage level ( 36 ) for a predeterminable on-board base load that does not correspond to the peak load via the DC / DC converter ( 66 ); b) provision of energy for the second voltage level ( 36 ) for a difference between the on-board base load and the peak load via the series regulator ( 32 ). Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannungsniveau (30) angehoben wird, insbesondere durch entsprechende Ansteuerung des Generators (30), wenn ein Einschaltvorgang eines Verbrauchers (18), der eine vorgebbare Leistungsaufnahme überschreitet, bevorsteht.A method according to claim 16 or 17, characterized in that the first voltage level ( 30 ) is raised, in particular by appropriate control of the generator ( 30 ) when a consumer is switched on ( 18 ), which exceeds a predefinable power consumption, is imminent. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannungsniveau (30) angehoben wird, insbesondere durch entsprechende Ansteuerung des Generators (10), wenn eine Aufheizung des Motorkühlwassers und/oder eines Fahrgastraums, insbesondere in einer Motoraufheizphase, gewünscht ist, und/oder in einer Schubphase des Kraftfahrzeugs.Method according to one of claims 16 to 18, characterized in that the first voltage level ( 30 ) is raised, in particular by appropriate control of the generator ( 10 ), if heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in an engine warm-up phase, is desired, and / or in an overrun phase of the motor vehicle. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität (60) über eine zweite Koppelvorrichtung (58) an das erste Spannungsniveau (30) gekoppelt ist, wobei das erste Spannungsniveau (30) angehoben wird, insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung des Generators (10), wenn die Kapazität (60) geladen werden soll.Method according to one of claims 16 to 19, characterized in that a capacitance ( 60 ) via a second coupling device ( 58 ) to the first voltage level ( 30 ) is coupled, the first voltage level ( 30 ) is raised, in particular by appropriate control of the generator ( 10 ) if the capacity ( 60 ) should be loaded. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (60) entladen wird, wenn ein an das zweite Spannungsniveau (36) angeschlossener Verbraucher, der eine vorgebbare Leistungsaufnahme überschreitet, eingeschaltet wird, dessen Einschalten vorher nicht angekündigt werden kann, wenn der Spannungsistwert des zweiten Spannungsniveaus unter einen vorgebbaren Spannungssollwert sinkt.A method according to claim 20, characterized in that the capacity ( 60 ) is discharged when a second voltage level ( 36 ) connected consumer, which exceeds a predeterminable power consumption, is switched on, the activation of which cannot be announced beforehand if the voltage actual value of the second voltage level falls below a predefinable voltage setpoint.
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