DE10233816A1

DE10233816A1 - Verfahren zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes

Info

Publication number: DE10233816A1
Application number: DE10233816A
Authority: DE
Inventors: Martin Bechteler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Bei einem Verfahren zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, mit einem Generator und mit schaltbaren Verbrauchern, werden ein dem Generator parallel geschalteter Hauptspeicherkondensator, dessen Spannung sich im geladenen Zustand zumindest annähernd auf der Bordnetz-Nennspannung befindet, und ein Zusatzspeicherkondensator, dessen Spannung im geladenen Zustand wesentlich geringer als die des Hauptspeicherkondensators ist, bei einer Verringerung der tatsächlichen Bordnetzspannung solange in Reihe geschaltet, bis das durch das Einschalten eines Verbrauchers verursachte Spannungsdefizit durch eine Erhöhung der Generatorausgangsspannung ausgeglichen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes sowie auf eine hierzu vorteilhaft einzusetzende Schaltungsanordnung.
Werden in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz insbesondere Verbraucher mit hoher Leistung eingeschaltet, kann es zu Spannungseinbrüchen kommen. In diesem Zusammenhang sind Vorrichtungen zur Verhinderung von Spannungseinbrüchen bekannt, bei denen die Verbraucher über Spannungsstabilisatoren (DC- Wandler) gespeist werden. Oder aber es werden ein oder mehrere Speicher wie z.B. Kondensatoren im Bordnetz verteilt bzw. bei den betroffenen Verbrauchern zur Stützung der Bordnetzspannung eingesetzt. Auch ist bekannt, dass der Spannungsabfall auf einer Versorgungsleitung durch zugeschaltete, vorher aufgeladene Kondensatoren, kompensiert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes zu schaffen, mit denen sich die durch ein abrupte Zunahme des Energiebedarfs/-verbrauchs bedingten Bordnetz-Spannungseinbrüche weitgehend vermeiden lassen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe für das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, für die Schaltungsanordnung mit denen des Patentanspruchs 4.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren dient der Hauptspeicherkondensator zur Spannungsstabilisierung während des üblichen Bordnetz-Betriebs. Treten dabei, bedingt in erster Linie durch das Einschalten verbrauchsintensiver Stromverbraucher bedingt, Spannungseinbrüche auf, tritt Zusatzspeicherkondensator in Aktion und gleicht das Spannungsdefizit sofort aus. Mit dem Auftreten des Spannungseinbruchs wird eine Erhöhung der Generatorausgangsspannung eingeleitet und das Spannungsdefizit wird nach einiger Zeit durch den Generator ausgeglichen. Der Zusatzspeicherkondensator wird dann wieder unwirksam. Die Wirkungsweise des Zusatzspeicherkondensators besteht somit darin, die Zeit, nach der ein Bordnetz-Spannungsdefizit durch den Generator kompensiert wird, zu minimieren und im Idealfall gleich Null zu machen.

Der Strombedarf von kurz aufeinander folgenden Verbraucherstromspitzen kann auch bei einer geringen Kapazität des Zusatzspeicherkondensators gedeckt werden. Die zur Kompensation der Spannungseinbrüche notwendige Anhebung der Bordnetzspannung kann entsprechend der Wahl der Zusatzspeicherkondensator-Spannung fein dosiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Patentansprüchen 2 und 3 wiedergegeben.

Durch die zeitparallele Aufladung der beiden Kondensatoren im Anschluss an den aktiven Betriebszustand steht das System schnell wieder zur Verfügung.

Die Aufladung des Zusatzspeicherkondensators über einen Spannungswandler aus dem Bordnetz erfordert einen geringen Aufwand.

Dasselbe gilt für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes. Durch Schalter zwischen den beiden Kondensatoren kann im Bedarfsfall der Zusatzspeicherkondensator schnell an- und danach wieder abgeschaltet werden.

Bei einem wie bereits geschildert impulsförmigen Strombedarf eines Verbrauchers werden die Kondensatoren in Serie geschaltet. Sie heben die Bordnetzspannung an und liefern die benötigte Stromspitze. Durch die Serienschaltung ist die gesamte Kondensatorspannung größer als die Bordnetzspannung und daher eine Ladungsabgabe auch bei relativ kleinen Kapazitäten der Kondensatoren ausreichend möglich. Durch das getrennte Aufladen des Zusatzspeicherkondensators kann die Spannungsanhebung beliebig fein dosiert werden. Das gleichzeitige Aufladen der Kondensatoren, verbunden mit ihrer geringen Kapazität ermöglicht einen schnellen Wechsel von Aufladung und Ladungsabgabe. Damit kann der Spitzenstrombedarf auch von kurz aufeinander folgenden Verbraucherstromspitzen gedeckt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie wird im folgenden beispielhaft an einem 14V Kfz- Bordnetz beschrieben. Zur Erläuterung ist die erfindungsgemäße Anordnung in der Skizze 1a dargestellt. Die Skizze 1b zeigt die gleiche Anordnung bei einer Realisierung durch Halbleiterschalter.
Das Bordnetz ist hierbei durch die Elemente Gen (Generator), Batterie und Verbraucher M (svw. Motor, hier beispielhaft mit Einschalter E gezeigt) vereinfacht dargestellt. Die erfindungsgemäße Schaltung besteht aus einem Hauptspeicherkondensator Cstore mit einer Kondensatorausgangsspannung von etwa 14 V und einem Zusatzspeicherkondensator Cboost mit einer Kondensatorausgangsspannung von 2V, einem Umschalter U und einem Spannungswandler W, der die Versorgungsspannung Uboost für den Zusatzspeicherkondensator von z.B. 2,5V liefert.
Als Ausgangszustand für die in Skizze 1a gezeigte Schaltung wird angenommen, dass der Hauptspeicherkondensator Cstore auf die aktuelle Bordnetzspannung hier etwa 14 Volt aufgeladen ist. Der Umschalter U ist auf Masse geschaltet (linke Stellung), so dass der Hauptspeicherkondensator Cstore parallel zum Bordnetz geschaltet ist. Entsprechend ist in der Realisierung durch Halbleiterschalter (Skizze 1b) der Store- Transistor durchlässig geschaltet.
Der Zusatzspeicherkondensator Cboost ist dabei vom Hauptspeicherkondensator Cstore abgetrennt und wird über eine Ladeschaltung (hier durch eine Diode und die Spannungsquelle Uboost dargestellt) auf eine kleine Spannung (z.B. 1 bis 2,5 Volt) aufgeladen. Die Boostspannung Uboost ist hierbei so gewählt, dass ein Spannungseinbruch bei einer kurzzeitigen Stromspitze, die vom Generator Gen nicht so schnell kompensiert werden kann, in etwa kompensiert wird. Für typische Verbraucher müssen diese Stromspitzen während 100ms bis 200ms kompensiert werden, danach ist der Generator üblicherweise soweit nachgeregelt, dass er den weiteren Strombedarf der Verbraucher deckt. Durch den Spannungsboost der geschalteten Kondensatoren wird dem Bordsnetz somit eine Zusatzspannung zugeführt, welche die Stromspitzen deckt. Da wegen des Innenwiderstandes der Kondensatoren die Stromspitze einen Spannungsabfall im Kondensator hervorruft, kommt dem Bordnetz nur die restliche Spannung zugute. Folglich muss der Zusatzspeicherkonden sator auf beispielsweise 1,6 Volt aufgeladen werden, um einen Spannungseinbruch von beispielsweise 1 Volt kompensieren zu können.
Wird nun ein solcher kurzzeitiger Strombedarf detektiert, z.B. durch Strommessung am Verbraucher oder durch Erfassung des beginnenden Einbruchs der Bordnetzspannung, wird der Umschalter U von Skizze 1a nach rechts geschaltet (bzw. in Skizze 1b der Store- Transistor aus- und ein Boost- Transistor eingeschaltet). Die beiden Kondensatoren Cstore und Cboost liegen nun in Reihe. Die Summe ihrer Spannungen überschreitet die Bordnetzspannung. Daher können nun die Kondensatoren solange Ladung an das Bordnetz abgeben, bis ihre Spannungssumme nicht mehr über der Bordnetzspannung liegt. Der Entladestrom kommt bevorzugt zu dem Verbraucher mit dem momentanen Spitzenstrombedarf. Die Batterie wird entlastet und die Bordnetz-Spannungsschwankung wird reduziert. Bei der Realisierung durch Halbleiterschalter (Skizze 1b) werden Boostsignal und Storesignal gegeneinander verriegelt, um eine ständige Betriebssicherheit sicherzustellen. Diese Verriegelung ist in dem Zeitdiagramm am Fusse der Skizze 1b bildlich dargestellt.
Klingt der Spitzenstrom des Verbrauchers (z.B. nach 0,1 bis 0,4 Sekunden) wieder ab, so wird der Umschalter U wieder umgelegt und die Kondensatoren werden wieder getrennt. Anschließend wird der Hauptspeicherkondensator direkt über die Bordnetzspannung und der Zusatzspeicherkondensator über die Ladeschaltung wieder aufgeladen. Die Wiederaufladung der Kondensatoren erfolgt hierbei langsam und mit niedrigem Strom im Vergleich zu der Spitzenstrombelastung. Der Zusatz- und der Hauptspeicherkondensator werden also schnell entladen und langsam nachgeladen. Dadurch vergleichmäßigt sich die Strombelastung für das Bordnetz, also für Generator und Batterie.
Die Wirkung der beschriebenen Schaltung hängt stark vom Innenwiderstand der in Serie geschalteten Kondensatoren ab. Deswegen sind bevorzugt Doppelschichtkondensatoren (wie z.B. Super Cap oder Gold Cap) einzusetzen, da diese eine hohe Kapazität und einen sehr geringen Widerstand haben, Eigenschaften die sie für die Erfindung sehr geeignet machen.
Als Umschalter werden insbesondere MOS Feldeffekttransistoren mit niedrigem Innenwiderstand verwendet (Skizze 1b).
Die Ladeschaltung für den Zusatzspeicherkondensator kann beispielsweise ein kleiner DC- DC- Wandler sein, der den nötigen Ladestrom zum Aufladen des Zusatzspeicherkondensators in der Pause zwischen zwei Spitzenstromanforderungen liefern kann. Dieser Ladestrom kann dem Bordnetz entnommen werden.
Die Schaltung wirkt vereinfacht gesagt wie ein Kurzzeitspeicher, der eine Spitzenbelastung von Batterie und Generator reduziert und die Belastung dieser beiden Komponenten zeitlich gleichmäßiger verteilt. Da der Generator nur eine begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit besitzt ist er mit der erfindungsgemäßen Schaltung besser in der Lage, die elektrische Energie für kurzzeitige Spitzenbelastungen bereitzustellen.
2 zeigt das Verhalten der Bordnetzspannung bei der Erfindung. Der Motorstrom wird hier weitgehend vom Zusatzspeicherkondensator und Hauptspeicherkondensator geliefert. Die Bordnetzspannung schwankt in diesem Beispielsfall nur um ca.1Volt. Sie steigt um ca. 0,5 Volt an und sinkt kurzzeitig nur auf 13,5 Volt ab. Die Bordnetzspannung zeigt also infolge der Erfindung wesentlich geringere Schwankungen.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung werden somit die Spannungseinbrüche auf dem Bordnetz und damit die negativen Einflüsse auf andere elektrische Verbraucher reduziert. Gerade spannungsempfindliche Verbraucher wie z.B. Kfz- Beleuchtungseinrichtungen benötigen daher keinen weiteren Schutz. Daher ergeben sich Einsparungen bei den Schutzeinrichtungen für Verbraucher, welche empfindlich auf Unterspannungen sind, sowohl hinsichtlich Aufwand wie auch gewichtsmäßig.
Ein weiterer Vorteil der Schaltung besteht darin, dass die Belastung der Batterie, insbesondere deren kurzzeitige Entladung weitgehend vermieden wird. Die Batterien werden geschont und ihre Lebensdauer daher nicht beeinträchtigt.

Claims

Verfahren zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, mit einem Generator und mit schaltbaren Verbrauchern, gekennzeichnet durch einen dem Generator parallel geschalteten Hauptspeicherkondensator, dessen Spannung sich im geladenen Zustand zumindest annähernd auf der Bordnetz-Nennspannung befindet, und durch einen Zusatzspeicherkondensator, dessen Spannung im geladenen Zustand wesentlich geringer als die des Hauptspeicherkondensators ist und der bei einer Verringerung der tatsächlichen Bordnetzspannung solange in Reihe mit dem Hauptspeicherkondensator geschaltet wird, bis das Spannungsdefizit durch eine Erhöhung der Generatorausgangsspannung ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kondensatoren im Anschluss an den aktiven Betriebszustand zeitlich parallel wieder aufgeladen und im geladenen Zustand gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzspeicherkondensator über einen Spannungswandler aus dem Bordnetz aufgeladen wird.
Schaltungsanordnung zur Absicherung der Energieversorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, das einen Generator und schaltbare Verbraucher enthält, gekennzeichnet durch einen Hauptspeicherkondensator parallel zu einem Bordnetz-Energiespeicher, durch einen Zusatzspeicherkondensator mit gegenüber dem Hauptspeicherkondensator wesentlich geringerer Ausgangsspannung, und mit einem Schalter zwischen den beiden Kondensatoren, der im Bedarfsfall die Kondensatoren vorübergehend in Reihe schaltet.