DE10259879A1

DE10259879A1 - Schaltungsanordnung zur Bereitstellung von Energie an elektrische Verbraucher unterschiedlichen Energiebedarfs

Info

Publication number: DE10259879A1
Application number: DE2002159879
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr. Ketteler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-01
Also published as: US7053504B2; US20040119337A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung, vorzugsweise zur Verwendung im Bordnetz von Kraftfahrzeugen, mit einem aufladbaren Energiespeicher eines bestimmten Spannungsniveaus und im Stromkreis dieses Energiespeichers befindlichen Verbrauchern, soll derart weiterentwickelt werden, dass auch bei hohem momentanen Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher eine signifikante Netzbelastung weitgehend unterbleibt. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist hierfür der Energiespeicher als leistungsbegrenzter Primärenergiespeicher (1) zur Funktionsgewährleistung einer ersten Gruppe von Verbrauchern (2) ausgebildet. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Sekundärenergiespeicher (4) auf, der vom Primärenergiespeicher (1) ausgehend aufladbar ist und Energie einer zweiten Gruppe von Verbrauchern (5) zur Verfügung stellt, so dass bei Energieabgabe aus dem Sekundärenergiespeicher (4) an die Verbraucher (5) der zweiten Gruppe eine Rückkopplung auf den Primärenergiespeicher (1) auch bei Belastung desselben durch Verbraucher (2) der ersten Gruppe weitgehend unterbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung von Energie an elektrische Verbraucher unterschiedlichen Energiebedarfs, vorzugsweise zur Verwendung im Bordnetz von Kraftfahrzeugen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Energiebereitstellung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges erfolgt im Allgemeinen durch einen vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges angetriebenen Generator und von einer Bordnetzbatterie, die vom Generator geladen wird und einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug Energie zur Gewährleistung von deren Funktionssicherheit bereitstellt. Mit fortschreitender Entwicklung der Fahrzeugtechnik erhöht sich insbesondere auch die Anzahl und der Energiebedarf elektrischer und elektronische Komponenten im Fahrzeug erheblich. Dabei spielen elektrische Verbraucher eine immer größere Rolle, deren Leistungsbedarf vergleichsweise hoch ist, jedoch jeweils nur für ein relativ kurzes Zeitintervall besteht.

Aus der DE 198 59 036 A1 ist ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit einem Primärsystem, bestehend aus einem Generator, einer Bordnetzbatterie und mindestens einem Verbraucher, und einem Sekundärsystem, das einen DC/DC-Wandler und einen Kondensator aufweist, der in Abhängigkeit von Betriebszustand des Kraftfahrzeuges geladen oder entladen wird.

Mit einer solchen Lösung wird eine Stützung des Primärsystems des Bordnetzes dahingehend erreicht, dass bei ungünstigen Betriebsbedingungen die im Kondensator gespeicherte Energie den im Primärsystem des Bordnetzes befindlichen Verbrauchern wieder zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei erfolgt die Energieversorgung des Primärsystems unspezifisch hinsichtlich der in ihrem Leistungsbedarf unterschiedlichen Verbraucher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung von Energie an elektrische Verbraucher derart weiterzuentwickeln, dass auch bei hohem momentanem Leistungsbedarf elektrischer Verbraucher eine signifikante Netzbelastung weitgehend unterbleibt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Bereitstellung von Energie an elektrische Verbraucher erfindungsgemäß darin, dass der Energiespeicher als leistungsbegrenzter Primärenergiespeicher zur Funktionsgewährleistung einer ersten Gruppe von Verbrauchern ausgebildet ist und dass die Schaltungsanordnung einen, relativ zum Primärenergiespeicher auf höherem Spannungsniveau befindlichen Sekundärenergiespeicher aufweist, der vom Primärenergiespeicher ausgehend aufladbar ist und Energie einer zweiten Gruppe von Verbrauchern zur Verfügung stellt, so dass bei Energieabgabe aus dem Sekundärspeicher an die Verbraucher der zweiten Gruppe eine Rückkopplung auf den Primärenergiespeicher auch bei Belastung desselben durch Verbraucher der ersten Gruppe weitgehend unterbleibt.

Die Erfindung ist mit dem Vorteil verbunden, dass auf der Grundlage der funktionellen und schaltungstechnischen Trennung der ersten Gruppe von Verbrauchern von der zweiten Gruppe von Verbrauchern ein Speichermedium für elektrische Energie der zweiten Gruppe von Verbrauchern zugeordnet werden kann, so dass dieses Speichermedium der zweiten Gruppe von Verbrauchern elektrische Energie bereitstellt, ohne eine merkliche Rückkopplung auf den der ersten Gruppe von Verbrauchern zugeordneten Energiespeicher zu verursachen, wodurch dieser eine gleichbleibend stabile Energieversorgung gewährleisten kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Aufladung des Sekundärspeichers aus dem Primärspeicher durch einen als Hochsetzsteller ausgebildeten Spannungswandler, der vorzugsweise bis zu einem Spannungsniveau von ca. 50 V eingesetzt wird. Ein Hochsetzsteller ist grundsätzlich in der Lage, ein Spannungsniveau vom ca. 3- bis 4fachen Wert der Bordnetzspannung stabil zu versorgen. Aufgrund der Personensicherheit werden Spannungen, die deutlich über 50 V liegen, im Fahrzeug vermieden.

Zur Bereitstellung eines das 50 V-Niveau weit übersteigenden Spannungsbereiches kann zur Aufladung des Sekundärspeichers aus dem Primärspeicher ein auf transformatorischer Potenzialtrennung beruhender Spannungswandler Verwendung finden, dessen Maximalspannung prinzipiell nicht begrenzt ist, da Isolationsfehler ohne Personengefährdung einfach erkannt und gegebenenfalls nach Abschalten der betreffenden Baueinheit behoben werden können.

Um in zweckmäßiger Ausführung der Erfindung eine weitgehende Entkopplung des Primärspeichers vom Sekundärspeicher zu erreichen, ist der Sekundärspeicher als Speicherkondensator mit großem Spannungshub ausgebildet. Als Spei cherkondensatoren können Doppelschicht- und Mehrschichtkondensatoren hoher Kapazität Verwendung finden, deren Spannungsniveau den Verbrauchern der zweiten Gruppe angepasst ist.

In Weiterführung der Erfindung besteht die Möglichkeit, eine Strom-Begrenzungseinheit vorzusehen, in der als Parameter die Gesamt-Strombelastbarkeit des Primärspeichers und die Strombelastung des Primärspeichers durch die Verbraucher der ersten Gruppe erfasst und hiervon abhängig ein definierter Stromfluss zum Aufladen des Sekundärspeichers ermittelt und freigegeben wird. Einer solchen Ausgestaltung der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass der Primärenergiespeicher, der Energie den Verbrauchern der ersten Gruppe bereitstellt, so bemessen sein kann, dass diesem im zeitlichen Mittel Energie im begrenzten Umfang zur Aufladung des Sekundärspeichers entnommen werden kann, ohne die Funktionsfähigkeit der Verbraucher der ersten Gruppe einzuschränken oder zu gefährden.

Wird ein Einfluss des Sekundärspeichers auf den Primärspeicher zugelassen, der mit einem gewissen Spannungsabfall im Primärspeicher verbunden ist, kann die Schaltungsanordnung zweckmäßigerweise eine Überwachungseinrichtung zur Erfassung der Spannung des Primärspeichers aufweisen, die mit einer Strom-Begrenzungsbaugruppe zur Begrenzung des Stromes, der vom Sekundärspeicher den Verbrauchern der zweiten Gruppe bereitgestellt wird, zusammenwirkt.

Des Weiteren besteht auch die grundsätzliche Möglichkeit, über eine entsprechende Baugruppe in Abhängigkeit von der aktuellen Spannung des Primärspeichers den Stromfluss zu begrenzen, der aus dem Primärspeicher für die Aufladung des Sekundärspeichers bereitgestellt wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei den Verbrauchern der ersten Gruppe um Minderleistungsverbraucher und bei den Verbrauchern der zweiten Gruppe relativ zur Leistungsaufnahme der Minderleistungsverbraucher um Hochleistungsverbraucher. Die Bemessungsspannung dieser Verbraucher wird von dem auszunutzenden Spannungsbereich des Speicherkondensators bestimmt, so dass über eine geeignete Auswahl des Speicherkondensators Hochleistungsverbraucher eingesetzt werden können, deren Laststrom aufgrund der hohen Spannung vergleichsweise gering ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine elektronische Steuereinheit zur Leistungssteuerung der Verbraucher der zweiten Gruppe Bestandteil der Schaltungsanordnung. In der Steuereinheit wird aus einer variablen Eingangspannung eine konstante Ausgangsspannung auf niedrigerem Niveau erzeugt, so dass die prinzipbedingten Spannungsschwankungen des sekundären Energiespeichers für die Verbraucher der zweiten Gruppe nicht spürbar sind.

Zur Absicherung eines störungsfreien Betriebes der Hochleistungsverbraucher wird der Spannungswandler bevorzugt auch nach Erreichen der maximalen Ladespannung des Sekundärspeichers nicht deaktiviert. Ist der Spannungswandler als Hochsetzsteller ausgebildet, kann die Induktivität der Zuführungskabel gezielt als Drossel genutzt werden.

Die beschriebene Schaltungsanordnung ist für die verschiedensten Anwendungsfälle geeignet, in denen elektrische Verbraucher unterschiedlichen Leistungsbedarfs von einem Energiespeicher gespeist werden, wobei ein Teil der verfügbaren Energie einem weiteren Energiespeicher zur weitgehend rückkopplungsfreien Versorgung von Verbrauchern eines vorgewählten Leistungsbedarf-Bereiches bereitgestellt wird.

Zweckmäßig kann eine solche Schaltungsanordnung in 12-V- und 42-V-Bordnetzen von Kraftfahrzeugen Verwendung finden, wo vorzugsweise ein aus der Bordnetzbatterie gespeister, als Hochsetzsteller ausgeführter Spannungswandler einen Energiespeicher lädt, der Energie für Hochleistungsverbraucher bereitstellt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 eine prinzipielle Schaltungsanordnung mit einem Hochsetzsteller als Spannungswandler und
3 eine Schaltungsanordnung gemäß 2 mit einem quasi-resonanten Spannungswandler.
Das in 1 dargestellte Blockschaltbild eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges zeigt eine als Primärspeicher wirkende Bordnetzbatterie 1, deren Energie einer Gruppe von Minderleistungsverbrauchern 2 und einem als Hochsetzsteller 3 ausgeführten Spannungswandler zur Verfügung gestellt wird. Die Gruppe von Minderleistungsverbrauchern 2 ist dabei in der Darstellung vereinfachend als Gesamtwiderstand erfasst. Die im Hochsetzsteller 3 gewandelte Energie wird an einen Sekundärspeicher in Form eines Mehrschichtkondensators 4 weitergegeben, von dem die Energiebereitstellung an Hochleistungsverbraucher 5 erfolgt.
Der als Ladungspumpe wirkende Hochsetzsteller 3 besteht im Wesentlichen, wie in 2 dargestellt, aus drei MOSFET-Schaltstufen 6, die durch versetztes Takten eine Frequenz oberhalb von 3 × 20 kHz erzeugen, und aus einer Hochsetzsteller-Induktivität, die in dieser Ausführungsform der Erfindung als Kabel-Induktivität 7 der Zuleitungen zum Hochsetzsteller 3 bereitgestellt wird. Ausgehend vom gewünschten Betriebsverhalten des Hochsetzstellers 3 kann über eine Variation der Leitungsparameter und der Leitungsführung die erforderliche Kabel-Induktivität 7 ausgewählt werden.
Von dem als Sekundärspeicher wirkenden Mehrschichtkondensator 4, der sich auf einem Spannungsniveau von ca. 50 V befinden kann, wird die gespeicherte Energie über eine Wechselrichter 8 spannungsstabilisiert an einen Motor 9 weitergegeben, der als Hochleistungsverbraucher 5 einzustufen ist, da er beispielsweise Bestandteil eines Stellantriebes zur Fahrstabilisierung des Kraftfahrzeuges sein kann. Stellantriebe mit dieser oder ähnlicher Funktionalität können bevorzugt auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Bereitstellung von Energie eingesetzt werden, da für solche Antriebe eine hohe Leistung jeweils nur für kurze Zeiträume abrufbar sein muss.
Eine weitere Möglichkeit in Ausgestaltung der Erfindung ist der Darstellung in 3 zu entnehmen. Ein vom Motor des Kraftfahrzeuges angetriebener Generator 10 ist mit der Bordnetzbatterie 1 und Minderleistungsverbrauchern 2 verbunden. Die Auswahl von Generator 10, Bordnetzbatterie 1 und Minderleistungsverbrauchern 2 ist gezielt so erfolgt, das eine zusätzliche Leistungsfähigkeit des Bordnetzes gegeben ist, die für die Aufladung des Mehrschichtkondensators 4 genutzt wird. Das dabei erreichte Spannungsniveau des Mehrschichtkondensators 4 resultiert aus der Art der Spannungswandlung, die, im Gegensatz zu dem in 2 verwendeten Hochsetzsteller 3, auf das in der Darstellung gemäß 3 verwirklichte Prinzip der quasi-resonanten Spannungsumsetzung zurückgreift. Da quasi-resonante Spannungsumsetzer an sich dem Fachmann hinreichend bekannt sind, muss an dieser Stelle hierauf nicht näher eingegangen werden.
Der in der Ausführung der Schaltungsanordnung gemäß 3 eingesetzte Transformator 11 des quasi-resonanten Spannungsumsetzers 12 weist beispielhaft ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 20 auf, so dass der Mehrschichtkondensator 4 einen regulären Spannungshub auf 90 V bis 270 V erfährt. Analog zur Ausführung der Erfindung gemäß 2 wird die im Mehrschichtkondensator 4 gespeicherte Energie über einen Wechselrichter 8 an einen Motor 9 abgegeben. Die vergleichsweise hohe Spannung, die am Mehrschichtkondensator 4 anliegt, ermöglicht es, mit relativ geringen Strömen zu arbeiten, was die Einbindung der Hochleistungsverbraucher 5 in die Schaltungsanordnung vereinfacht.
Weiterhin ist als Bestandteil der Schaltungsvariante gemäß 3 eine Strom-Begrenzungseinheit 13 vorgesehen, mit der ein maximal zulässiger Stromfluss zum Aufladen des Mehrschichtkondensators 4 ermittelt wird, wodurch eine zu starke Belastung der Bordnetzbatterie 1, die deren Lebensdauer verkürzen könnte, vermeidbar ist. Ergänzend weist diese Schaltung eine der Erfassung der Spannung der Bordnetzbatterie 1 dienende Überwachungseinrichtung 14 auf, die über eine Steuerleitung 15 mit einer Strombegrenzungsbaugruppe 16 für die Hochleistungsverbraucher 5 in Verbindung steht, sodass auf das Verbrauchsverhalten der Hochleistungsverbraucher 5 gezielt Einfluss genommen werden kann. Zudem ist eine elektronische Steuereinheit 17 zur Leistungssteuerung der Hochleistungsverbraucher 5 vorgesehen, in der aus einer variablen Eingangspannung eine konstante Ausgangsspannung auf niedrigerem Niveau erzeugt wird.
Schaltungsanordnungen der beschriebenen Ausführung ermöglichen auf der Grundlage der gezielt geschaffenen, zusätzlichen Leistungsfähigkeit des Bordnetzes in Verbindung mit einem Hochsetzsteller 3 und einem als Energiespeicher wirkenden Mehrschichtkondensator 4 die Einbeziehung von Hochleistungsverbrauchern 5 in dieses Bordnetz.

1: Bordnetzbatterie
2: Minderleistungsverbraucher
3: Hochsetzsteller
4: Mehrschichtkondensator
5: Hochleistungsverbraucher
6: MOSFET-Schaltstufen
7: Kabel-Induktivität
8: Wechselrichter
9: Motor
10: Generator
11: Transformator
12: Quasi-resonanter Spannungsumsetzer
13: Strom-Begrenzungseinheit
14: Überwachungseinrichtung
15: Steuerleitung
16: Strombegrenzungsbaugruppe
17: Steuereinheit

Claims

Schaltungsanordnung zur Bereitstellung von Energie an elektrische Verbraucher unterschiedlichen Energiebedarfs, vorzugsweise zur Verwendung im Bordnetz von Kraftfahrzeugen, mit einem aufladbaren Energiespeicher eines bestimmten Spannungsniveaus und im Stromkreis dieses Energiespeichers befindlichen und von diesem gespeisten Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als leistungsbegrenzter Primärenergiespeicher (1) zur Funktionsgewährleistung einer ersten Gruppe von Verbrauchern (2) ausgebildet ist und dass die Schaltungsanordnung einen, relativ zum Primärenergiespeicher (1) auf höherem Spannungsniveau befindlichen Sekundärenergiespeicher (4) aufweist, der vom Primärenergiespeicher (1) ausgehend aufladbar ist und Energie einer zweiten Gruppe von Verbrauchern (5) zur Verfügung stellt, so dass bei Energieabgabe aus dem Sekundärenergiespeicher (4) an die Verbraucher (5) der zweiten Gruppe eine merkliche Rückkopplung auf den Primärenergiespeicher (1) auch bei Belastung desselben durch Verbraucher (2) der ersten Gruppe unterbleibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung des Sekundärenergiespeichers (4) aus dem Primärenergiespeicher (1) durch einen als Hochsetzsteller ausgebildeten Spannungswandler (3) erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufladung des Sekundärenergiespeichers (4) aus dem Primärenergiespei cher (1) ein auf transformatorischer Potenzialtrennung beruhender Spannungswandler (12) zum Einsatz kommt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass als Sekundärenergiespeicher ein Speicherkondensator (4) mit großem Spannungshub dient.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärenergiespeicher als Doppelschicht- oder Mehrschichtkondensator (4) hoher Kapazität ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzungseinheit (13) vorgesehen ist, in der als Parameter die Gesamt-Strombelastbarkeit des Primärenergiespeichers (1) und die Strombelastung des Primärenergiespeichers (1) durch die Verbraucher (2) der ersten Gruppe erfasst und hiervon abhängig ein definierter Stromfluss zum Aufladen des Sekundärenergiespeichers (4) ermittelt und freigegeben wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine Überwachungseinrichtung (14) zur Erfassung der Spannung des Primärenergiespeichers (1) aufweist, die mit einer Strombegrenzungsbaugruppe (16) zur Begrenzung des Stromes, der vom Sekundärenergiespeicher (4) den Verbrauchern (5) der zweiten Gruppe bereitgestellt wird, zusammenwirkt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verbrauchern der ersten Gruppe um Minderleistungsverbraucher (2) und bei den Verbrauchern der zweiten Gruppe relativ zur Leistungsaufnahme der Minderleistungsverbraucher (2) um Hochleistungsverbraucher (5) handelt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit (17) zur Leistungssteuerung der Verbraucher (5) der zweiten Gruppe vorgesehen ist, in der aus einer variablen Eingangsspannung eine konstante Ausgangsspannung auf niedrigerem Niveau erzeugt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass der als Hochsetzsteller ausgebildete Spannungswandler (3) eine Kabel-Induktivität (7) als Drossel nutzt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 10, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (3, 12) auch nach Erreichen der maximalen Ladespannung nicht deaktiviert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem 12-V-, 24-V- oder 42-V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz kommt .