DE19724356C1 - Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit drei Spannungsebenen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit drei Spannungsebenen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Die Entwicklung neuer Komponenten im Automobilbau wie z. B. der elektromagnetischen Ventilsteuerung (EMVS), des elektrisch be­ heizbaren Katalysators etc. sowie der Trend, bisher über Riemen angetriebene Komponenten elektrisch anzutreiben, haben die elektrische Gesamtleistung der zu versorgenden Verbraucher stark anwachsen lassen. Mit den derzeitigen 12V-Bordnetzen kann dieser Leistungsbedarf nicht mehr vernünftig abgedeckt werden. Es ist bekannt, dem 12V-Bordnetz höhere Spannungsebenen zu überlagern, welche die Hochleistungsverbraucher, z. B. EMVS speisen. Verbraucher mit geringer Leistungsaufnahme verbleiben nach wie vor auf der 12V-Ebene. Es zeichnet sich zunehmend ab, daß ein Bordnetz mit einer 42V-Spannungversorgung für Hochlei­ stungsverbraucher und einer 12V- oder 14V-Spannungversorgung für Niederspannungsverbraucher wie z. B. die Beleuchtung ange­ strebt wird.

Für die Erzeugung mehrerer stabilisierter Spannungen im Kraft­ fahrzeug gibt es zahlreiche Vorschläge. Sie reichen von tech­ nisch einfachen Systemlösungen wie z. B. Generator an ungesteu­ erter Sechspuls-Brückenschaltung mit DC/DC Wandler bis zu einem Generator mit zwei galvanisch getrennten Wicklungen an zwei Drehstrom-Brückenschaltungen. Diese Methoden sind vom Ergebnis unbefriedigend und aufwendig.

Die zentrale Problemstellung in zukünftigen Kfz-Bordnetzen mit unterschiedlichen Spannungsebenen ist die Erzeugung und Stabi­ lisierung der gewünschten Spannungspegel bei hohem Wirkungsgrad und unter den Kfz-typischen Randbedingungen des anzustrebenden geringen Bauraumes sowie des geringen Gewichtes. Der anzustre­ bende hohe Wirkungsgrad bereitet besondere Probleme, da in den Bordnetzen die Energieversorgung bei vergleichsweise niedriger Spannung erfolgt. Insbesondere verursacht jedes weitere Halb­ leiterventil in der Übertragungskette eine signifikante Ver­ schlechterung des Wirkungsgrades.

Eine Lösung, welche einen steuerbaren Stromrichter für einen Dreiphasen-Drehstrom-Generator verwendet, ist aus der EP 0 464 694 A2 bekannt. In diesem Stromrichter teilen sich zwei ver­ schiedene Verbraucherseiten von unterschiedlicher Spannung ei­ nen gemeinsamen, kathodenseitig mit den drei Phasen des Genera­ tors verbundenen Anodenstern. Der Strom fließt wechselseitig über einen Kathodenstern zum Verbraucher I oder über einen in die niedrigere Spannungsebene einspeisenden Thyristor-Kathodenstern zum Verbraucher II. Durch Variation des Zündwin­ kels im Thyristor-Kathodenstern und einer unterschiedlicher Er­ regung des Generators sind beide Spannungen regelbar. Vorteil­ haft an dieser Schaltungsanordnung ist, daß in jedem Strompfad von Quelle zu Verbraucher nur zwei mit Durchlaßverlusten behaf­ tete Halbleiterventile liegen. Das Konzept weist aber insbeson­ dere für ein Bordnetz mit stark unterschiedlichen Spannungsni­ veaus, wie z. B. 14V und 42V auch erhebliche Nachteile auf.

Ein erster Nachteil ist, daß die Ventile der niedrigeren Span­ nungs-Seite schaltungsbedingt symmetrische Sperrfähigkeit be­ sitzen müssen. Symmetrisch sperrende Schalter sind z. B. ab­ schaltbare GTO-Thyristoren (Gate-Turn-Off). Sie besitzen aber eine vergleichsweise hohe Durchlaßspannung von mehr als 1.3V und sind für diese Kleinspannungsebene untypisch. Das Erforder­ nis der symmetrischen Sperrfähigkeit schließt eine Synchron­ gleichrichtung mit Transistoren des Typs MOSFET zur Verringe­ rung der Durchlaßverluste aus. Auf der Seite mit der niedrigen Spannung wird die Leistungsübertragung über den Strom bewirkt, weswegen hier die Durchlaßverluste der Halbleiter hinsichtlich des Wirkungsgrades besonders kritisch zu beurteilen sind.

Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß der Kathodenstern, be­ stehend aus den ungesteuerten Ventilen und der Thyristor-Kathodenstern nicht gleichzeitig Strom leiten können. Wenn die Thyristoren gezündet sind, sperrt der Kathodenstern zum Ver­ braucher I und es fließt der momentane Generatorstrom so lange allein in die Seite der niedrigeren Spannung des Verbrauchers II ab, bis Stromumkehr erfolgt. Eine kontinuierliche Leistungs­ abgabe nach beiden Seiten wäre nur möglich, wenn abweichend von der Lehre der EP 0 464 694 A2 z. B. nur einer der drei Thyristo­ ren gezündet würde. Dann würde jedoch der sinusförmige Genera­ torstrom durch den Stromrichter in Stromblöcke zerhackt. Da die Verbraucher aber Gleichstrom beziehen sollen, müßten diese dis­ kreten Stromblöcke durch jeweils einen Energiespeicher auf bei­ den Seiten geglättet werden. Dies wäre mit einem erheblichen Glättungsaufwand verbunden.

Ein dritter Nachteil ist, daß das Umschalten von einem Katho­ denstern auf den anderen bei weit auseinanderliegenden Span­ nungspegeln (hier 14 V und 42 V) erhebliche Drehmomentpendelun­ gen und Magnetfeldunsymmetrien im Generator verursacht. Beides verursacht erhöhte Geräuschbildung und ist einem ruhigen Lauf des Fahrzeugmotors abträglich.

Ein vierter Nachteil ist, daß Energiefluß nur in eine Richtung möglich ist, weil beide Stromrichter maschinengeführt sind. Es gibt keine Möglichkeit, die Energieflußrichtung umzukehren. Ein bidirektionale Energiefluß ist aber wünschenswert, um Aus­ gleichsladungen zwischen den Batterien austauschen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit drei Spannungsebenen bereit zu­ stellen, welche die festgestellten Nachteile des Standes der Technik überwindet und sich insbesondere durch einen guten Wir­ kungsgrad auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung ermöglicht ei­ ne stabile Erzeugung von 3 Spannungsebenen, wobei der gesamte Strom nur über zwei Halbleiterventile von der Maschine zu den Verbrauchern geleitet wird. Die Fahrzeugmasse ist mit dem Mit­ telabgriff verbunden, so daß einmal +14 V gegen Masse und ein­ mal -42V gegen Masse stabil erzeugt werden. Darüber hinaus steht die volle Differenzspannung von 56 V zur Verfügung.

Ein Vorteil der dargestellten Energieversorgungsschaltung be­ steht darin, daß für die Anwendung im Kraftfahrzeug der Last­ strom auf hohem Spannungsniveau allein oder überwiegend nur durch die beiden Stromrichterventile 2, 3 fließt, wodurch die Durchlaß- und Wärmeverluste gering gehalten werden.

Ein weitere Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Tech­ nik besteht darin, daß der Energiefluß nun bidirektional mög­ lich ist, womit jederzeit Ladungsaustausch zwischen den Batte­ rien möglich ist. Damit kann z. B. die Batterie der 42 V-Seite durch einen spezialisierten Startspeicher z. B. einen Superkon­ densator ersetzt werden, welcher vor dem Start durch den ande­ ren Energiespeicher aufgeladen werden kann. Die getrennt durch­ führbare Optimierung der Energiespeicher hinsichtlich Lei­ stungsdichte auf der 42 V-Seite und Energiedichte auf der 14V-Seite bringen beachtliche Vorteile hinsichtlich des Einbauraums und des Gewichts mit sich.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der er­ findungsgemäßen Energieversorgungsschaltung ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Be­ schreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemä­ ßen Energieversorgungsschaltung, welche zwei in Serie geschal­ tete Energiespeicher 6, 7 (Batterie, Superkondensator etc.) zur Speisung von Verbrauchern 8, 9 umfaßt, wobei zwischen dem Plus­ pol des ersten Energiespeichers 6 und dem Mittelabgriff 11 zwi­ schen beiden Energiespeichern 6, 7 eine erste Spannung 14V zur Speisung erster Verbraucher 8 sowie zwischen dem Mittelabgriff 11 und dem Minuspol des zweiten Energiespeichers 7 eine zweite Versorgungsspannung -42V zur Speisung zweiter Verbraucher 9 ab­ nehmbar ist. Der Mittelabgriff 11 ist mit der Fahrzeugmasse 10 verbunden. Weiterhin zeigt das Blockschaltbild einen fremd­ kraftgetriebenen Generator l, welcher im Kraftfahrzeug von der Antriebsmaschine getrieben wird und im Ausführungsbeispiel als dreiphasiger Drehstromgenerator ausgebildet ist. Der Generator gibt einen dreiphasigen Ausgangswechselsstrom i_a, i_b, i_c an zwei Stromrichterventile 2, 3 ab. Das erste Stromrichterventil 2 er­ zeugt ausgangsseitig eine positive Spannung und ist mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers 6 verbunden. Das zweite Stromrichterventil 3 erzeugt ausgangsseitig eine negative Span­ nung und ist mit dem Minuspol des zweiten Energiespeichers 7 verbunden. Für einen Dreiphasigen Drehstromgenerator 1 können die beiden Stromrichterventile 2, 3 durch eine Sechspuls-Brücken­ schaltung gebildet werden. Die Sechspuls-Brücken­ schaltung kann mit Dioden oder wie in dem Ausführungs­ beispiel mit nach dem Verfahren der Synchrongleichrichtung an­ gesteuerten MOSFET-Transistoren ausgeführt sein, womit Durch­ laßverluste verringert werden.

Des weiteren ist eine Erregerstrom-Ansteuerung 13 vorgesehen, welche in an sich bekannter Weise den Erregerstrom der Erreger­ wicklung 14 und damit den Magnetfluß im Generator 1 so ein­ stellt, daß die Gesamtspannung U₊ + U_-, welche im Ausführungs­ beispiel 56V beträgt, konstant bleibt.

Erfindungsgemäß ist ein Mittelpunkts-Stromrichter 4 vorgesehen, welcher eingangsseitig von dem Ausgangswechselstrom des Genera­ tors 1 gespeist und ausgangsseitig mit dem Mittelabgriff 11 verbunden ist. Der Mittelpunkts-Stromrichter 4 gibt ausgangs­ seitig einen Ausgleichstrom ab und ist so ansteuerbar, daß sich ein gewünschtes Verhältnis zwischen erster und zweiter Spannung einstellt. In seiner Ausführung umfaßt der Mittelpunkts-Strom­ richter 4 für jede Phase einen bidirektionalen Halbleiter­ schalter S1, S2, S3 mit symmetrischen Sperreigenschaften, wel­ cher elektronisch von einer Stromrichter-Ansteuerung 12 ansteu­ erbar ist. Durch eine geeignete Steuerung der Halbleiterschal­ ter S1 bis S3 in den Strompfaden kann durch direkte Stromablei­ tung auf den Mittelabgriff 11 die Spannungsaufteilung an den Lasten beliebig, insbesondere auch unsymmetrisch eingestellt werden. Die Halbleiterschalter S1 bis S3 können, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, durch jeweils zwei in Reihe geschaltete MOSFET-Transistoren gebildet sein, deren jeweilige Drain-Anschlüsse oder Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Die durch MOSFET-Transistoren gebildeten Halbleiterschal­ ter S1 bis S3 bilden jeweils einen in seiner Stromrichtung um­ schaltbare Stromrichter. Insgesamt sind sie wie ein Dreipuls-Strom­ richter in Mittelpunktsschaltung verschaltet. Um einen kontrollierten Strom auf dem jeweiligen Pfad durchzulassen sind die Halbleiterschalter S1 bis S3 nach den bekannten Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM), der Pulsfrequenzmodulation (PFC) oder der Phasenanschnittsteuerung (PC) ansteuerbar.

Die Halbleiterschalter S1 bis S3 können alternativ jeweils durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren wie bei einem TRIAC gebildet sein, welche nach dem Verfahren der Phasenan­ schnittsteuerung (PC) ansteuerbar sind, um einen kontrollierten Strom auf dem jeweiligen Pfad durchzulassen.

Die Ausführung des Mittelpunkts-Stromrichters 4 mit aktiven Halbleiterschaltern ermöglicht beim PWM-Verfahren den Pulsbe­ trieb mit hoher Frequenz, so daß auf aufwendige Filter zur Auf­ rechterhaltung eines kontinuierlichen Leistungsflusses verzich­ tet werden kann. Zudem fallen Unsymmetrien in der erfindungsge­ mäßen Energieversorgungsschaltung wesentlich geringer aus, da die Spannung im Einspeisekreis, welche den Generatorklemmen aufgeschaltet wird, lediglich zwischen 42 V und 56 V springt.

Der allgemeine Erfindungsgedanke ist nicht nur auf dreiphasige Generatoren sondern allgemein auf mehrphasige Drehfeldmaschine anwendbar, wobei die Stromrichterventile 2, 3 und der Mittel­ punkts-Stromrichter 4 entsprechend anzupassen sind.

Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 bis S3 ermittelt die Stromrichter-Ansteuerung 12 zunächst in an sich bekannter Weise durch kurzzeitiges Schließen jeweils eines der Halbleiterschal­ ter S1 bis S3 und Aufnehmen des jeweiligen Stromwertes die Pha­ senströme im und bildet daraus den aktuellen Stromvektor. In Abhängigkeit der vorliegenden Batteriespannungen U₊ und U_- oder den entsprechenden Strömen I₊, I_- werden phasengerecht die Schaltzustände und Schaltzeiten der Halbleiterschalter S1 bis S3 festlegt, um die benötigten Ausgleichsströme zu erzeugen. Aus den ermittelten Phasenströmen im können ebenfalls die er­ forderlichen Schaltzustände und Schaltzeiten für die Synchron­ gleichrichtung durch die MOSFET-Transistoren in der Sechspuls-Brücken­ schaltung ermittelt werden und entsprechende Schaltsignale an die Stromrichterventile 2, 3 ausgegeben werden.

Zur Vermeidung von elektromagnetischen Störfeldern ist es vor­ teilhaft, beim Pulsfrequenzmodulationsverfahren (PFC) oder beim Phasenanschnittsteuerungsverfahren (PC) die bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 so anzusteuern, daß möglichst nur bei Nulldurchgängen des Stromes geschaltet wird. Der Ladungs­ ausgleich findet dann portionsweise statt, was aber durch die großen Kapazitäten der Energiespeicher geglättet wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Glättungsschal­ tung 5 vorgesehen, welche zumindest eine zwischen Ausgang des Mittelpunkts-Stromrichters 4 und Mittelabgriff 11 eingefügte Spule L umfaßt. Desweiteren ist es vorteilhaft zum Schutz vor Spannungsspitzen Freilaufdioden D und Kondensatoren C vorzuse­ hen. Die Spule kann, angepaßt an das gewählte Ansteuerungsver­ fahren, als Glättungsdrossel ausgelegt werden, um die Restwel­ ligkeit des durch den Mittelpunkt-Stromrichter 4 fließenden Gleichstromes zu glätten.

Alternativ kann bei Verwendung des Pulsweitenmodulationsverfah­ rens (PWM) zur Ansteuerung des Mittelpunkt-Stromrichters 4 die Spule als nicht-dissipative Einschaltentlastung für die Halb­ leiterschalter S1 bis S3 dimensioniert werden. Die Flanken der geschalteten Ströme werden dadurch abgeflacht, was die Schalt­ verluste vermindert. Dies wiederum ermöglicht die Schaltfre­ quenz der PWM-Ansteuerung von typischerweise 10-20 kHz zu erhö­ hen, was die Auflösung erhöht und den Ausgleichsstrom dadurch glättet.

Ein besonders vorteilhaftes Ansteuerungsverfahren für den Mit­ telpunkts-Stromrichters 4 ergibt sich, wenn die Spule L auf die parasitäre Kapazität der Halbleiterschalter S1 bis S3, wie sie z. B. bei MOSFET-Transistoren immer vorhanden ist, so abgestimmt wird, daß sich ein Resonanzschwingkreis mit einer Resonanzfre­ quenz im MHz-Bereich ergibt. Erfindungsgemäß werden die bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 synchron mit den angestoßenen Stromschwingungen des Resonanzschwingkreis ange­ steuert, wobei die Halbleiterschalter S1 bis S3 möglichst nur in Strom- bzw. Spannungsnulldurchgängen des Ausgleichstromes geschaltet werden. Durch die synchrone Ansteuerung mit der Re­ sonanzschwingung ist ein weitgehend verlustfreies Schalten mög­ lich. Gleichzeitig ist aufgrund der hohen Abtastrate die Strom­ welligkeit gering, was den Glättungsaufwand vermindert.

Ein Vorteil der dargestellten Energieversorgungsschaltung be­ steht darin, daß für die Anwendung im Kraftfahrzeug der Last­ strom auf hohem Spannungsniveau allein oder überwiegend nur durch die beiden Stromrichterventile 2, 3 fließt, wodurch die Durchlaß- und Wärmeverluste gering gehalten werden. Es beginnt sich nämlich abzuzeichnen, daß in einem zukünftigen Zweispan­ nungsbordnetz die Leistung auf der 14V-Seite ungefähr noch 25%, die auf der 42V-Seite dagegen ca. 75% der augenblicklichen Lei­ stungsaufnahme betragen wird. Unter Beachtung der vorgegebenen unsymmetrischen Spannungsaufteilung sind die in beide Verbrau­ cher eingespeisten Lastströme nahezu identisch. In diesem Nenn­ betriebspunkt, nachfolgend ausbalancierte Belastung genannt, fließt der Strom aus einer Generatorphase, durch ein Ventil des Stromrichterventils 2 in die (+)14V-Seite, durch die beiden Verbraucher 8, 9 und auf der (-)42V-Seite durch ein Ventil des Stromrichterventils 3 wieder in eine andere Generatorphase zu­ rück. Bei ausbalancierter Belastung fließt daher kein Strom über den verlustbehafteten Mittelpunkts-Stromrichter 4 zum Mit­ telabgriff 11 bzw. zur Fahrzeugmasse 10.

Bei Abweichungen vom Nennbetrieb durch unterschiedliche Strom­ aufnahme der 14V- und -42V-Verbraucher entsteht eine nichtaus­ balancierte Belastung. Daraus resultiert ein Differenz- oder Ausgleichsstrom, welcher je nach Lastverteilung durch einen der beiden Energiespeicher 6, 7 fließt. Infolgedessen verschiebt sich das Massepotential entweder nach oben oder nach unten. Wenn das Batteriemanagement die Belastung zuläßt, wird der Dif­ ferenzstrom der entsprechenden Batterie entnommen. Ist eine solche Belastung der Batterie nicht zugelassen, so daß der Aus­ gleichsstrom nicht der Batterie entnehmbar ist, leiten die bi­ direktionalen Schalter S1 bis S3 im Mittelpunkts-Stromrichter 4 den Differenzstrom an der Batterie vorbei (Bypass). Der große Vorteil hinsichtlich des Wirkungsgrads besteht also darin, daß der verlustbehaftet Mittelpunkts-Stromrichter 4 nicht permanent eingeschaltet ist, sondern nur bei Bedarf einen Teil des augenblicklichen Laststroms führt und so bei unsymme­ trischer Lastverteilung das Massepotential einprägt. Sind die zu erwartenden Unsymmetrien und Ausgleichsströme gering, braucht der Mittelpunkts-Stromrichter 4 nicht dreiphasig ausge­ legt zu werden. Es genügen dann bereits zwei oder gar eine Pha­ se.

Ein weitere Vorteil besteht in der geringen Stromwelligkeit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung gerade im Bereich hoher ausbalancierter Last, wo nur die Stromrichterventile 2, 3 (Sechspuls-Brückenschaltung) in Betrieb sind, wie bereits dar­ gestellt. Hier besitzt der Strom die für die Sechspuls-Brücken­ schaltung charakteristische sehr geringe Welligkeit, weshalb auf zusätzliche Maßnahmen zur Strom-Filterung verzich­ tet werden kann.

In vorteilhafter Weise unterscheidet sich die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung von der eingangs beschriebenen Schaltung der EP 464 694 A2 auch darin, daß die Stromspeisung der Verbraucher nicht alternierend erfolgt sondern kontinuier­ lich. Drehmomentpendelungen und Magnetfeldunsymmetrie im Gene­ rator werden daher vermieden. Auch fließt der gesamte Laststrom nicht mehr über einen Thyristor-Kathodenstern mit hoher Durch­ laßspannung.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Energieversorgungs­ schaltung in eine Betriebsweise versetzbar ist, bei der Ener­ gieaustausch zwischen beiden Energiespeichern 6, 7 möglich ist. Dazu werden die Stromrichterventile 2, 3 und die bidirektiona­ len Halbleiterschalter S1 bis S3 so angesteuert, daß von dem einen Energiespeicher Strompulse in die Generatorwicklung ein­ gespeist werden, welche phasenverschoben in den anderen Ener­ giespeicher eingespeist werden. So gelingt es selbst bei Gene­ ratorstillstand Energie von der 14V-Seite auf die 42V-Seite zu transferieren und umgekehrt. Dies ist von Vorteil, wenn zur Stützung der 42 V-Seite ein Superkondensator für den Startvor­ gang vorgesehen ist, weil keine zusätzliche Ladeschaltung benö­ tigt wird: Vor dem Anlaßvorgang wird der Kondensator von der Batterie der 14V-Seite aus nach- bzw. aufgeladen. Aber auch bei schlecht geladener Starterbatterie oder wenn deren Lebensdauer überschritten ist, kann vorheriges Laden möglicherweise noch einen Startvorgang herbeiführen. Insgesamt wird also die Start­ sicherheit erhöht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Energieversorgungs­ schaltung ist, daß der Generator 1 in der Lage ist, bereits bei geringer Drehzahl Strom abzugeben, womit der Generatoreinsatz­ punkt erniedrigt ist: Damit die Sechspuls-Brückenschaltung der Stromrichterventile 2, 3 als Einspeise-Stromrichter arbeiten kann, muß die verkettete Spannung am Generator 1 größer sein als die Gleichspannung im Einspeisekreis. Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung besitzt insgesamt die drei Einspei­ sekreise für 14V, 42V und 56V Gleichspannung (DC), weshalb der Generator 1 für den Nennbetrieb von 56V DC zu bemessen ist. Be­ reits bei sehr geringer Drehzahl, weit unterhalb der Einsatz­ drehzahl heutiger Gereratoren, wird der 14V-Kreis mit vollem Nennstrom gespeist. Die beiden restlichen Kreise folgen dann mit wachsender Drehzahl nach. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber solchen Schaltung, bei denen das niedrigere Span­ nungsniveau aus einem höheren abgeleitet wird.

Wenn die bidirektionalen Schalter S1 bis S3 des Mittelpunkt-Strom­ richters 4 durch MOSFET-Transistoren gebildet werden, ist es möglich diese so anzusteuern, daß der Generator auch bei Drehzahlen unterhalb des Einsatzpunktes bereits Strom in das Bordnetz speisen kann. Dazu werden durch pulsweises Kurzschlie­ ßen der Generatorklemmen Strompulse in den Generatorwicklungen induziert, welche bei Aufhebung des Kurzschlusses über die Stromrichterventile 2, 3 in das Bordnetz einspeisbar sind. Je nach Ansteuerung der Schalter S1 bis S3 kann der Strom in den einen oder den anderen der drei Stromkreise eingespeist werden. Eine vorteilhafte Besonderheit der erfindungsgemäßen Energie­ versorgungsschaltung besteht darin, daß dieses Pulsverfahren nicht nur unterhalb der Einsatzdrehzahl einsetzbar ist, sondern auch der normalen Betriebsweise oberhalb des Einsatzpunktes überlagert werden kann. Insgesamt ist mit diesem Verfahren der Generator in der Lage bei jeder Drehzahl Strom abzugeben, womit die Einsatzdrehzahl des Generators aufgehoben ist. Dies erlaubt wiederum den Generator kleiner zu dimensionieren.

Des weiteren ist es möglich, durch entsprechende Ansteuerung der bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 die Blindlei­ stung des Generators einzustellen. Dies ermöglicht, bei einem wassergekühlten Generator dessen Abwärme gezielt zu Heizzwecken heranzuziehen.

Ferner ermöglicht die Einstellbarkeit der Blindleistung eine Entkopplung zwischen der trägen Zeitkonstanten des Erregerkrei­ ses des Generators und der Stromanregelzeiten, indem der im Ge­ nerator als Blindleistung vorgehaltene Strom bedarfsweise als Wirkstrom kurzzeitig abgebbar ist. Dies ist von Vorteil, wenn Verbraucher an das Bornetz angeschlossen sind, die ihre Lei­ stung pulsweise beziehen wie z. B. die EMVS.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung erweist sich aufgrund ihrer Regelungsdynamik als vergleichsweise unempfind­ lich gegenüber plötzliche Lastwechsel (Load-Dump-Schutz). Dar­ überhinaus ist auch ein aktiver Überspannungsschutz leicht aus­ führbar: Durch Schließen der Halbleiterschalter S1 bis S3 in dem Mittelpunkts-Stromrichter 4 werden die Wicklungen des Gene­ rators 1 kurzgeschlossen, wodurch Spannungsspitzen von im Bord­ netz auftretenden Überspannungen schnell abgebaut werden.

Claims (15)

1. Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit drei Spannungsebenen umfassend

• - zwei in Serie geschaltete Energiespeicher zur Speisung von Verbrauchern, wobei zwischen dem Pluspol des ersten Energie­ speichers und dem Mittelabgriff zwischen beiden Energiespei­ chern eine erste Spannung zur Speisung erster Verbraucher so­ wie zwischen dem Mittelabgriff und dem Minuspol des zweiten Energiespeichers eine zweite Versorgungsspannung zur Speisung zweiter Verbraucher abnehmbar ist, und
• - einen fremdkraftgetriebenen Generator zur Abgabe einer mehr­ phasigen Ausgangswechselspannung an Stromrichterventile, wo­ bei ein erstes Stromrichterventil ausgangsseitig eine positi­ ve Spannung erzeugt und mit dem Pluspol des ersten Energie­ speichers verbunden ist und ein zweites Stromrichterventil ausgangsseitig eine negative Spannung erzeugt und mit dem Mi­ nuspol des zweiten Energiespeichers verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,
daß ein Mittelpunkts-Stromrichter (4) vorgesehen ist, welcher eingangsseitig von dem Ausgangswechselstrom des Generators (1) gespeist und ausgangsseitig mit dem Mittelabgriff (11) verbun­ den ist, wobei der Mittelpunkts-Stromrichter (4) so ansteuerbar ist, daß sich aufgrund ausgangsseitig abgegebener Ausgleichs­ ströme ein gewünschtes Verhältnis zwischen erster und zweiter Spannung einstellt.

2. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkts-Stromrichter (4) für jede Phase einen bi­ direktionalen Halbleiterschalter (S1 bis S3) mit symmetrischen Sperreigenschaften aufweist.

3. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Generator (1) eine dreiphasige Drehstrommaschine ist,
• - die Stromrichterventile (2, 3) eine Sechspuls-Brückenschal­ tung bilden, welche insbesondere unter Verwendung von Dioden oder von nach dem Verfahren der Synchrongleichrichtung ange­ steuerten MOSFET-Transistoren ausgeführt ist, und
• - die bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 durch MOSFET-Transistoren gebildet werden.

4. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (S1 bis S3) eine Stromrichter-Ansteuerung (12) vorgesehen ist, welche in Abhän­ gigkeit erfaßter Spannungs- und Stromwerte die Schaltzustände und Schaltzeiten der Halbleiterschalter (S1 bis S3) ermittelt, um die benötigten Ausgleichsströme zu erzeugen.

5. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter-Ansteuerung (12) die erforderlichen Schaltzustände und Schaltzeiten für die Synchrongleichrichtung der durch MOSFET-Transistoren gebildeten Sechspuls-Brücken­ schaltung ermittelt und entsprechende Schaltsignale an die Stromrichterventile (2, 3) ausgibt.

6. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausgang des Mittelpunkts-Stromrichters (4) und Mittelabgriff (11) eine Spule (L) eingefügt ist.

7. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Pulsweitenmodulationsverfahrens (PWM) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (S1 bis S3) die Spule (L) als nicht-dissipative Einschaltentlastung dimensioniert ist.

8. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule L auf die parasitäre Kapazität der Halbleiter­ schalter (S1 bis S3) so abgestimmt ist, daß sich ein Resonanz­ schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz im MHz-Bereich ergibt und die Halbleiterschalter (S1 bis S3) synchron mit den ange­ stoßenen Stromschwingungen des Resonanzschwingkreis angesteuert werden.

9. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (S1 bis S3) weitgehend nur in Strom- oder Spannungsnulldurchgängen des Ausgleichsstromes geschaltet werden.

10. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (S1 bis S3) mit einem Pulsfrequenzmodulationsverfahren (PFC) oder einem Phasenan­ schnittsteuerungsverfahren (PC) so angesteuert werden, daß weitgehend nur bei Nulldurchgängen des Ausgleichsstromes ge­ schaltet wird.

11. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsschaltung in eine Betriebsweise ver­ setzbar ist, bei der Ladung zwischen den Energiespeichern (6, 7) ausgetauscht wird.

12. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsschaltung in eine Betriebsweise ver­ setzbar ist, bei der vor einem Startvorgang des Fahrzeugmotors ein Energiespeicher (7) durch den anderen Energiespeicher (6) aufgeladen wird.

13. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsschaltung in eine Betriebsweise ver­ setzbar ist, bei der durch pulsweises Kurzschließen der Genera­ torklemmen mittels der Halbleiterschalter (S1 bis S3) Strompul­ se in den Generatorwicklungen induziert werden, welche bei Auf­ heben des Kurzschlusses über die Stromrichterventile (2, 3) in das Bordnetz einspeisbar sind.

14. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsschaltung in eine Betriebsweise ver­ setzbar ist, bei der durch Ansteuerung der bidirektionalen Halbleiterschalter (S1 bis S3) die Blindleistung des Generators (1) eingestellt wird.

15. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsschaltung in eine Betriebsweise ver­ setzbar ist, bei der im Bordnetz auftretende Spannungsspitzen schnell abgebaut werden, indem durch Schließen der Halbleiter­ schalter (S1 bis S3) die Wicklungen des Generators (1) kurzge­ schlossen werden.