DE10262001B4

DE10262001B4 - Electrical system for a motor vehicle has a generator and first and second voltage levels interconnected by a first coupling device

Info

Publication number: DE10262001B4
Application number: DE10262001A
Authority: DE
Inventors: Josef Winkler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2022-07-13
Also published as: DE10262001A1

Abstract

First (30) and second (36) voltage levels are interconnected by means of a first coupling device (32). A direct current/alternating current transformer (68) connects to the first voltage level. The transformer can provide a 220-volt voltage at a fixed level. - An INDEPENDENT CLAIM is also included for a method for operating an 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. Ein derartiges Bordnetz und ein derartiges Verfahren sind bekannt aus der DE 196 28 222 A1 .The present invention relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle having at least a first and a second voltage level and a generator, wherein the first and the second voltage level are coupled to each other via a coupling device. It further relates to a method for operating a vehicle electrical system for a motor vehicle having at least a first and a second voltage level and a generator, wherein the first and the second voltage level are coupled together via a first coupling device. Such a vehicle electrical system and such a method are known from the DE 196 28 222 A1 ,

Die DE 196 28 222 A1 beschreibt des Weiteren die Bereitstellung eines Startkreises und eines Versorgungskreises in einem Kraftfahrzeug, die über ein Bordnetzmodul miteinander verbunden sind. Das Ziel besteht darin, einen Spannungseinbruch auf dem übrigen Bordnetz während der Durchführung eines Startvorgangs zu verhindern. Die Spannungen sind in beiden Netzen etwa gleich, können jedoch auch unterschiedlich sein. Eine Berücksichtigung der Temperatur der Batterien kann dieser Druckschrift entnommen werden. Es wird die Verwendung eines Analogschalters, das heißt eines Längsreglers, zur Verbindung der beiden Spannungsniveaus vorgeschlagen. In einer Ausführungsform wird nur ein Analogschalter verwendet. In einer anderen Ausführungsform sind zwei Analogschalter in Serie zu zwei DC/DC-Wandlern geschaltet. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Serienschaltung aus einem DC/DC-Wandler und einem Längsregler gezeigt.The DE 196 28 222 A1 further describes the provision of a starting circuit and a supply circuit in a motor vehicle, which are connected to each other via an electrical system module. The goal is to prevent a voltage dip on the rest of the electrical system while performing a startup. The voltages are about the same in both networks but may be different. A consideration of the temperature of the batteries can be found in this document. It is proposed to use an analog switch, that is, a series regulator, to connect the two voltage levels. In one embodiment, only one analog switch is used. In another embodiment, two analog switches are connected in series with two DC / DC converters. In a further embodiment, a series circuit of a DC / DC converter and a longitudinal regulator is shown.

Aus der DE 37 43 317 C3 ist ein Fahrzeugbordnetzsystem bekannt, welches eine Batterie und einen Starter/Generator sowie Verbraucher aufweist. An den Generator ist ein DC/AC-Wandler angeschlossen. Das Starter/Generatorsystem ist zur aktiven Gleichrichtung ausgebildet, wobei dies bezüglich die Spannungsregelung auf einer Leistungsseite stattfindet. Ein Zwischenkreis bildet die Eingangsspannung für den DC/AC-Wandler, wobei die Eingangsspannung eine Konstantspannung ist.From the DE 37 43 317 C3 a vehicle electrical system is known, which has a battery and a starter / generator and consumer. A DC / AC converter is connected to the generator. The starter / generator system is designed for active rectification, which takes place with respect to the voltage regulation on a power side. An intermediate circuit forms the input voltage for the DC / AC converter, the input voltage being a constant voltage.

Ein weiteres 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 20 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.Another known electrical system is in 1 shown. This generates a generator 10 that has an excitation coil 12 is energized, a voltage at a first voltage level 14 , for example 14 V. With this level of tension 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 tension level 14 is via a DC / DC converter 20 to a second voltage level 22 converted, for example, 42 V. At this second voltage level 22 are consumers 24 whose operation is connected to the second voltage level 22 requires or their operation is thereby at least favored, for example, a windscreen heater. It can be provided a switch 26 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 for realizing 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 lot of effort for the suppression since high currents must be switched with very steep edges. Finally, they are very expensive because the size is to be interpreted to the maximum power, although this occurs in a motor vehicle only for a very short period.

Die DE 198 05 926 A1 zeigt eine Parallelschaltung mehrerer DC/DC-Wandler zur Realisierung einer DC/DC-Wandler-Funktion, wobei je nach erforderlicher Leistung auf der Ausgangsseite eine bestimmte Anzahl der modularen DC/DC-Wandler in Betrieb genommen wird.The DE 198 05 926 A1 shows a parallel connection of several DC / DC converter for realizing a DC / DC converter function, wherein depending on the required power on the output side, a certain number of modular DC / DC converter is put into operation.

Die DE 197 55 050 C2 beschreibt die Verwendung eines DC/DC-Wandlers, um die von einem Generator bereitgestellte 42 V-Spannung auf ein niedrige res Niveau zu wandeln. Ein Pufferkondensator, der parallel zum Verbraucher angeordnet ist, dient der Deckung von Stromspitzen.The DE 197 55 050 C2 describes the use of a DC / DC converter to convert the 42V voltage provided by a generator to a low res level. A buffer capacitor, which is arranged parallel to the load, serves to cover current peaks.

Die DE 38 01 478 C1 beschreibt die Verwendung eines Reglers, der den Generator während der Zeit auf eine höhere Betriebsspannung regelt, während der eine Heizscheibe eingeschaltet ist. Die niedrigere Bordnetzspannung wird unter Verwendung eines DC/DC-Wandlers abgeleitet.The DE 38 01 478 C1 describes the use of a regulator that regulates the generator to a higher operating voltage during the time a heater disk is turned on. The lower vehicle electrical system voltage is derived using a DC / DC converter.

Die DE 100 42 532 A1 zeigt zwar die Verwendung eines DC/DC-Wandlers und eines Längsreglers, jedoch wird der DC/DC-Wandler lediglich zur Umwandlung der Energie aus einem Kondensator verwendet, nicht aber zur Umwandlung von Energie aus dem Generator im Normalbetrieb.The DE 100 42 532 A1 While showing the use of a DC / DC converter and a series regulator, the DC / DC converter is used only to convert the energy from a capacitor but not to convert energy from the generator during normal operation.

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 is therefore an on-board network of the type mentioned in such a way that it realized cost can be and yet is robust. It is still the task of present invention according to the aforementioned method further education.

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 a Vehicle electrical system having the features of patent claim 1 and a method having the features of patent 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, da infolge der höheren Verlustleistung eines Längsreglers ein ausreichendes Temperaturgefälle vorliegt. Schließlich haben sie aufgrund der analogen, stufenlosen Regelung eine geringe Störabstrahlung. Weiterhin wird an das variable erste Spannungsniveau ein DC/AC-Wandler angeschlossen, über den eine Wechselspannung auf einem Festnetzniveau, insbesondere eine Spannung mit 220 V, bereitstellbar ist.Of the The invention is based on the finding that longitudinal regulators are robust and the for this required components even at large temperature stability economical can be procured. linear regulators can about that Engine cooling water chilled because of the higher Power loss of a series regulator a sufficient temperature gradient is present. After all they have a low due to the analog, stepless control Noise emission. Furthermore, a DC / AC converter is connected to the variable first voltage level via the an AC voltage at a fixed network level, in particular a Voltage with 220 V, can be provided.

In Praxistests wurden Leistungsabgaben bis zu 2 kW ermöglicht. Ein Generator des Bordnetzes ist zur Bereitstellung eines variablen ersten Spannungsniveaus, insbesondere zwischen 14 V und 42 V, ausgebildet.In Practical tests enabled power outputs up to 2 kW. A generator of the electrical system is to provide a variable first voltage levels, in particular between 14 V and 42 V, formed.

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 kosten günstiger 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 werden, da er nur ausgelegt werden braucht, die Differenz zwischen Bordgrundlast und Spitzenlast bereitzustellen.In a particularly preferred embodiment, the longitudinal regulator, a DC / DC converter is connected in parallel. This opens up the possibility of designing the DC / DC converter to provide the second voltage level for a predefinable on-board base load which does not correspond to the peak load. The on-board base load is usually only 20 to 40%, in particular 30% of the peak load. As a result, the DC / DC converter can be made smaller and thus cost less favorable than in connection with 1 described, known from the prior art solution. The peak load, which occurs only rarely, is then supplied via the lossy series regulator. The series regulator can also be made smaller, as it only needs to be designed to provide the difference between the in-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.Prefers the on-board network further comprises a first regulating device which the in-line regulator considering the current one and / or future Actuation of the second voltage level, in such a way that the second Voltage level as possible no voltage dip experiences.

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 regulating device may be designed to monitor the temperature of the battery, which is coupled to the second voltage level to take into account. For example will be at 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.Prefers the on-board network further comprises a second regulating device which is designed, the first voltage level, in particular by appropriate Control of the generator to set. Get to the first voltage level only consumers connected, where voltage fluctuations too no functional impairment to lead, but only for comfort disadvantages, such as a PTC heater or a windscreen heater, this results in a large control range for the To be provided by the generator first voltage level, for example a range of 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 umge setzt. 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 seine 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 from that capacity, especially about a second coupling device coupled to the first voltage level is. The second control device can be designed here, the to increase the first voltage level, if information about one soon there is a switch-on process of a consumer, in that the first voltage level already before the switch-on elevated is. The energy not required before the switch-on process is in the series regulator converted into power loss. The energy network is, so to speak to a higher one Level charged. When actual Switching process, then this energy can be retrieved abruptly, because of the in-line regulator can change its resistance and thus its performance highly dynamically. Especially is the control dynamics of the longitudinal regulator significantly higher than that of the generator. Thus, the stability of the second voltage level itself at high inrush currents ensured.

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 advantageously designed, the first Increase tension level even then if a heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in an engine heating phase, required is, the longitudinal regulator with a heat exchange device coupled, and / or in a coasting phase of the motor vehicle. The in longitudinal regulator Converted power loss is deliberately increased to them for heating purposes available to deliver. In a coasting phase of the motor vehicle results in the Raising the first voltage level in that an increased braking effect can be realized. In particular, the mentioned capacity in a Shunting phase of the motor vehicle to the increased value of the first voltage level getting charged.

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 Ge nerators 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.However, the second control device may also be configured to increase the first voltage level independently of a coasting phase when the capacity is to be charged. The second coupling element is closed in particular when the voltage of the capacitor is below its nominal voltage and the first voltage level is increased in order to charge the capacitor. It is also closed when the second voltage level drops below a predefinable setpoint, for example, when switching consumers connected to the second voltage level, the exceed a predetermined power consumption, but whose power can not be previously announced. The capacitor is discharged and serves to support the second voltage level. By contrast, the second coupling element is open when the voltage across the capacitor is greater than a predefinable setpoint and the second voltage level is stable. By switching on the capacity, the dynamics of the generator are also increased, as this allows the excitation coil to be charged faster. The charging time of the exciting coil is a machine constant and can be shortened by a voltage increase. This in turn allows the use of a smaller capacity, since the use of a capacity at all the generator can readjust faster and thus can supply the power for the newly switched consumers. The capacitor is preferably an electrolytic capacitor or a so-called supercapacitor, that is, 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.at a dimensioning of the capacity to 30 F and a wiring system with a first voltage level of 42V and a second voltage level of 14 V resulted for the capacity Energy content of 24,000 Ws, which measured by an average Life of 500,000 charging cycles 1,600 l of gas saved could. This corresponds to a saving of 0.3 l per 100 km at a diesel engine and 0.4 l per 100 km for a gasoline 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 preferably supplies a desired value specification the generator that depends is the operating condition of the vehicle. In normal operation is the Specification to the generator the setting of a voltage at which the second voltage level corresponds approximately to the first voltage level, this means in the longitudinal regulator converted power loss is almost zero. In heating and / or overrun mode and at undervoltage in the electrical system section, on the second Voltage level is, is the specified voltage to the generator voltage setpoint as high as possible, but not higher as a permissible Nominal voltage. Furthermore, it must be taken into account that the permissible power loss in the longitudinal 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 ge speicherte Energie kann auch beispielsweise zur Versorgung einer elektrischen Lenkung, insbesondere für Achslasten größer 1.100 kg, verwendet werden.By the in-line regulator let himself go realize a rapid heating function up to 3 kW. When connecting the Power supply to an electric turbo (so-called e-turbo) was by providing the energy from capacity the dreaded Turbocharger avoided and a uniform torque build-up already achieved at low speed. The stored in such a capacity ge Energy can also, for example, to supply an electrical Steering, especially for Axle loads greater than 1,100 kg, can be used.

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 for the Professional obvious, can be related to the vehicle electrical system according to the invention mentioned Further developments and advantages of the inventive method transmitted in a similar manner.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments emerge from the dependent claims.

Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:in the Below will now be embodiments of the invention with reference to the attached Drawings closer described. They show:

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

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

3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bordnetzes; three a second embodiment of a vehicle 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 in a schematic representation depending on the generator current the course of the voltage at the series regulator and the course of the power loss.

Im Nachfolgenden werden für gleiche und gleichwirkende Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwendet.in the The following will be for same and equivalent components used 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, Benzinpumpe, 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 der ersten Regelvorrichtung 28 einen Sollwert für die am Ausgang des Generators 10 bereitzustellende Spannung 30 vor. Überdies erhält die zweite Regelvorrichtung 34 über die Leitung 46 von der Steuervorrichtung 42 Information von der am Längsregler 32 umgesetzten Verlustleistung und berücksichtigt dies bei der Steuerung des Längsreglers. Die zweite 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 a vehicle electrical system according to the invention. A generator 10 is via one of a first control device 28 controlled exciter coil 12 is energized and can provide at its output a voltage in a range between 14V and 42V. A windscreen heater 24 can by closing a switch 26 with this first voltage level 30 get connected. The first tension level 30 is also connected to 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 longitudinal 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. On the off passage of the longitudinal regulator 32 becomes a second voltage level 36 provided, which is about 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. To the second voltage level 36 Above all, such consumers are arranged, which need a stable power supply for safety and comfort reasons. For a short time, the voltage must not drop below a value of, for example, 12.55 V for these consumers. These include engine loads, such as ignition, fuel pump, engine control unit, lighting, internal blower, audio system, electric steering, electric brake, electric stability program, antilock braking system, battery and starter. A control device 42 measures the at the regulator 32 converted power loss and the instantaneous voltage of the second voltage level 36 , About the line 44 She gives the first control device 28 a setpoint for the output of the generator 10 voltage to be provided 30 in front. Moreover, the second control device obtains 34 over the line 46 from the control device 42 Information from the longitudinal regulator 32 converted power loss and takes this into account in the control of the series regulator. The second control device 34 recorded via the line 48 the actual value of the second voltage level 36 and includes this in the scheme. About a DC / AC converter 68 that with the first voltage level 30 is 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 a switch 54 to use, with which 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 longitudinal regulator 32 is thermally conductive a water cooling 52 connected, which can be used for heating 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 take into account.

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 Schal ters 58 ein Aufladen des Kondensators 60 bewirkt werden. Da der Längsregler 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 there is information, for example via a line 64 in the control device 42 , about an upcoming turn-on of one with the second voltage level 36 connected load with high inrush current, such that the first voltage level 30 already increased before the switch-on. The control device 28 is in particular designed to increase the first voltage level even when a heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in an engine heating phase, is desired or in a coasting phase of the motor vehicle. As a result, on the one hand more power dissipation falls on the series regulator 32 off, about the water cooling 52 can be used for heating, on the other hand, by the increased first voltage level and closing the switch 54 a PTC heating element 56 effective for additional heating application find. As long as the first voltage level 30 can be increased by closing the scarf age 58 charging the capacitor 60 be effected. As the longitudinal regulator 32 over the control device 34 can be controlled much more dynamically than the generator 10 over the exciting coil 12 , can when switching on a consumer 18 which has a high power requirement, a drop in the second voltage level 36 prevented or at least counteracted, 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 are switched on with high power consumption, whose switching can be predicted, so the control device 42 also over the line 64 , for example, a CAN bus, informed thereof and effected via the line 44 and a corresponding control of the control device 28 , an increase in the first voltage level 30 , Now, if the powerful consumer is turned on, can by dynamic control of the series controller 32 be responded to, that is, there may be fluctuations in the second voltage level 36 effectively avoided. The longitudinal regulator 32 can, for example, as in 2 indicated, be realized by a transistor whose control electrode to 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 three illustrated embodiment of a vehicle electrical system according to the invention substantially corresponds to in 2 illustrated embodiment. It should therefore be discussed only on the differences. At the in three illustrated embodiment is the longitudinal regulator 32 a DC / DC converter 66 connected in parallel. He is also over a line 46b with the control device 42 coupled. The DC / DC converter is designed, the second voltage level 36 to provide for a predefined on-board network base load. The peak load, which rarely occurs, is via the in-line regulator 32 provided. A prioritization of the energy flows is by the control device 42 via appropriate control of the control device 34 and the DC / DC converter 66 over the wires 46 respectively 46b performed. In addition, an overvoltage protection can be provided which determines the voltage of the second voltage level 36 measures and at an unscheduled increase this by appropriate control of the generator 10 over the control device 28 limited to 14V.

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 dependence of the generator power P as a function of the engine speed for a vehicle electrical system with a fixed voltage level of 14 V, curve a), as well as for a vehicle electrical system with a voltage that is freely variable between 14 V and 42 V, curve b). From the course of the curves it can be seen that with the vehicle electrical system with variable voltage at the same engine speed higher generator outputs can be achieved than in a wiring 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 as a function of the engine speed, again for a vehicle electrical system with a fixed voltage level, curve a), as well as a vehicle electrical system with variable voltage level, curve b). As can be seen from the curve b), in the case of a vehicle electrical system with a variable voltage level, the generator can almost always be operated with an efficiency of more than 75%.

6 zeigt zunächst die am Längsregler abfallende Spannung U_LR, Kurvenzug a), über dem Generatorstrom I_G. Hierbei ist zu erkennen, dass im Hinblick auf die maximale Verlustleistung P_Vmax von 1500 W, die der Längsregler abgeben kann, bei einem Strom von über 53 A die am Längsregler abfallende Spannung U_LR von 28 V allmählich auf 10 V abgesenkt werden muss, um eine Zerstörung des Längsreglers zu verhindern. Weiterhin kann 6 der Verlauf der Verlustleistung P_Vmax, Kurvenzug b), über dem Generatorstrom entnommen werden. 6 shows first the voltage dropping at the series regulator U _LR , curve a), over the generator current I _G. It can be seen here that, with regard to the maximum power loss P _Vmax of 1500 W which the series regulator can deliver, the voltage U _LR of 28 V dropping at the series regulator must be gradually reduced to 10 V at a current of more than 53 A. to prevent destruction of the longitudinal regulator. Furthermore, can 6 the course of the power loss P _Vmax , curve b), be taken over the generator current.

Claims

Vehicle electrical system for a motor vehicle with at least a first and a second voltage level ( 30 . 36 ) and a generator ( 10 ), wherein the first and the second voltage level ( 30 . 36 ) via a first coupling device ( 32 . 66 ), characterized in that the generator ( 10 ) for providing a variable first voltage level ( 30 ), in particular between 14 V and 42 V, wherein at the variable first voltage level a DC / AC converter ( 68 ) is connected, via the voltage at a fixed network level, in particular a voltage of 220 V, can be provided.

Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that the first coupling device is a longitudinal regulator ( 32 ).

Vehicle electrical system according to claim 2, characterized in that the longitudinal regulator ( 32 ) a DC / DC converter ( 66 ) is connected in parallel.

Vehicle electrical system according to claim 3, characterized in that the DC / DC converter (66) is designed, the second voltage level ( 36 ) for a predefinable on-board base load that does not correspond to the peak load.

Vehicle electrical system according to claim 4, characterized in that the on-board base load 20 up to 40%, in particular 30%, which is peak load.

Vehicle electrical system according to one of claims 4 or 5, characterized in that the longitudinal regulator ( 32 ) is designed to provide the difference between on-board base load and peak load.

Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a first regulating device ( 34 ), the longitudinal regulator ( 32 ) taking into account the current and / or future load of the second voltage level ( 36 ).

Vehicle electrical system according to claim 7, characterized in that the first regulating device ( 34 ), the temperature of the battery ( 16 ), which are at the second voltage level ( 36 ) is to be considered.

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 measure the first voltage level ( 30 ), in particular by appropriate control of the generator ( 10 ).

Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that to the first voltage level ( 30 ) a capacity ( 60 ) is coupled.

Vehicle electrical system according to claim 10, characterized in that the capacity ( 60 ) via a second coupling device ( 58 ) to the first voltage level ( 30 ) is coupled.

Vehicle electrical system according to one of Claims 9 to 11, characterized in that the second regulating device ( 28 . 42 ), the first voltage level ( 30 ) when the second control device ( 28 ) Receives information about a consumer's upcoming switch-on process, such that the first voltage level ( 30 ) is already increased before the switch-on.

Vehicle electrical system according to one of Claims 9 to 12, characterized in that the second regulating device ( 28 ), the first voltage level ( 30 ), if a heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in a motor heating phase, desired is, wherein the longitudinal regulator ( 32 ) with a heat exchange device ( 52 ), and / or in a coasting phase of the motor vehicle.

Vehicle electrical system according to one of Claims 9 to 13, characterized in that the second regulating device ( 28 ), the first voltage level ( 30 ), if the capacity ( 60 ) should be loaded.

Vehicle electrical system according to one of Claims 9 to 14, characterized in that the second regulating device ( 28 ), when setting the first voltage level ( 30 ) in the longitudinal regulator ( 32 ) to take into account the converted power loss.

Method for operating a vehicle electrical system for a motor vehicle with at least a first and a second voltage level ( 30 . 36 ) and a generator ( 10 ), wherein the first and the second voltage level ( 30 . 36 ) via a first coupling device ( 32 . 66 ) are coupled together, wherein by the generator ( 10 ) a variable first voltage level ( 30 ), in particular between 14 V and 42, and to the variable first voltage level a DC / AC converter ( 68 ) is connected, via the voltage at a fixed network level, in particular a voltage of 220 V, is provided.

The method of claim 16, the electrical system further comprises a series regulator ( 32 ) and energy for the second voltage level ( 36 ) at least temporarily via the in-line regulator ( 32 ) provided.

Method according to claim 17, wherein the longitudinal regulator ( 32 ) a DC / DC converter ( 66 ) is connected in parallel, comprising the following steps: a) providing energy for the second voltage level ( 36 ) for a predefinable on-board base load, which does not correspond to the peak load, via the DC / DC converter ( 66 ); b) providing energy for the second voltage level ( 36 ) for a difference between the in-board base load and the peak load via the longitudinal controller ( 32 ).

Method according to claim 16 to 19, characterized in that the first voltage level ( 30 ) is raised, in particular by appropriate control of the generator ( 30 ), when a switch-on of a consumer ( 18 ), which exceeds a predetermined power consumption, is imminent.

Method according to one of claims 16 to 19, characterized in that the first voltage level ( 30 ) is raised, in particular by appropriate control of the generator ( 10 ), when a heating of the engine cooling water and / or a passenger compartment, in particular in an engine heating phase, is desired, and / or in a coasting phase of the motor vehicle.

Method according to one of claims 16 to 20, characterized in that a capacity ( 60 ) via a second coupling device ( 58 ) to the first voltage level ( 30 ), the first voltage level ( 30 ) is raised, in particular by a corresponding control of the generator ( 10 ), if the capacity ( 60 ) should be loaded.

A method according to claim 21, characterized in that the capacity ( 60 ) is discharged when at the second voltage level ( 36 ) connected consumer, which exceeds a predetermined power consumption is turned on, the power-up can not be previously announced when the voltage actual value of the second voltage level falls below a predetermined voltage setpoint.