DE19724356C2 - Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit drei Spannungsebenen - Google Patents

Description

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

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

Für die Erzeugung mehrerer stabilisierter Spannungen im Kraftfahrzeug gibt es zahlreiche Vorschläge. Sie reichen von technisch einfachen Systemlösungen wie z. B. Generator an ungesteuerter Sechspuls-Brückenschaltung mit DC/DC Wandler bis zu einem Generator mit zwei galvanisch ge­ trennten Wicklungen an zwei Drehstrom-Brückenschaltun­ gen. Diese Methoden sind vom Ergebnis unbefriedigend und aufwendig.

Die zentrale Problemstellung in zukünftigen Kfz-Bord­ netzen mit unterschiedlichen Spannungsebenen ist die Er­ zeugung und Stabilisierung der gewünschten Spannungspe­ gel bei hohem Wirkungsgrad und unter den Kfz-typischen Randbedingungen des anzustrebenden geringen Bauraumes sowie des geringen Gewichtes. Der anzustrebende hohe Wirkungsgrad bereitet besondere Probleme, da in den Bord­ netzen die Energieversorgung bei vergleichsweise niedriger Spannung erfolgt. Insbesondere verursacht jedes weitere Halbleiterventil in der Übertragungskette eine signifikante Verschlechterung 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 verschiedene Verbraucherseiten von unterschied­ licher Spannung einen gemeinsamen, kathodenseitig mit den drei Phasen des Generators verbundenen Anodenstern. Der Strom fließt wechselseitig über einen Kathodenstern zum Verbraucher I oder über einen in die niedrigere Span­ nungsebene einspeisenden Thyristor-Kathodenstern zum Verbraucher II. Durch Variation des Zündwinkels im Thyri­ stor-Kathodenstern und einer unterschiedlichen Erregung des Generators sind beide Spannungen regelbar. Vorteilhaft an dieser Schaltungsanordnung ist, daß in jedem Strompfad von Quelle zu Verbraucher nur zwei mit Durchlaßverlusten behaftete Halbleiterventile liegen. Das Konzept weist aber insbesondere für ein Bordnetz mit stark unterschiedlichen Spannungsniveaus, wie z. B. 14 V und 42 V auch erhebliche Nachteile auf.

Ein erster Nachteil ist, daß die Ventile der niedrigeren Spannungs-Seite schaltungsbedingt symmetrische Sperrfä­ higkeit besitzen müssen. Symmetrisch sperrende Schalter sind z. B. abschaltbare GTO-Thyristoren (Gate-Turn-Off). Sie besitzen aber eine vergleichsweise hohe Durchlaßspan­ nung von mehr als 1,3 V und sind für diese Kleinspannungs­ ebene untypisch. Das Erfordernis der symmetrischen Sperr­ fähigkeit schließt eine Synchrongleichrichtung mit Transi­ storen des Typs MOSFET zur Verringerung der Durchlaß­ verluste aus. Auf der Seite mit der niedrigen Spannung wird die Leistungsübertragung über den Strom bewirkt, weswe­ gen hier die Durchlaßverluste der Halbleiter hinsichtlich des Wirkungsgrades besonders kritisch zu beurteilen sind.

Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß der Kathoden­ stern, bestehend aus den ungesteuerten Ventilen und der Thyristor-Kathodenstern nicht gleichzeitig Strom leiten können. Wenn die Thyristoren gezündet sind, sperrt der Ka­ thodenstern zum Verbraucher 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 Leistungsabgabe nach beiden Seiten wäre nur möglich, wenn abweichend von der Lehre der EP 0 464 694 A2 z. B. nur einer der drei Thyristoren gezün­ det würde. Dann würde jedoch der sinusförmige Generator­ strom durch den Stromrichter in Stromblöcke zerhackt. Da die Verbraucher aber Gleichstrom beziehen sollen, müßten diese diskreten Stromblöcke durch jeweils einen Energie­ speicher auf beiden Seiten geglättet werden. Dies wäre mit einem erheblichen Glättungsaufwand verbunden.

Ein dritter Nachteil ist, daß das Umschalten von einem Kathodenstern auf den anderen bei weit auseinanderliegen­ den Spannungspegeln (hier 14 V und 42 V) erhebliche Drehmomentpendelungen und Magnetfeldunsymmetrien im Generator verursacht. Beides verursacht erhöhte Geräusch­ bildung und ist einem ruhigen Lauf des Fahrzeugmotors ab­ träglich.

Ein vierter Nachteil ist, daß Energiefluß nur in eine Rich­ tung möglich ist, weil beide Stromrichter maschinengeführt sind. Es gibt keine Möglichkeit, die Energieflußrichtung umzukehren. Ein bidirektionale Energiefluß ist aber wün­ schenswert, um Ausgleichsladungen zwischen den Batterien austauschen zu können.

Eine gattungsbildende Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit drei Spannungsebenen mit den Merkma­ len des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der US 4 491 779 bekannt. Det Mittelpunkts-Stromrichter wird durch steuerba­ re Gleichrichter, insbesondere Thyristoren gebildet. Durch An­ legen einer Steuerspannung kann der Mittelpunkts-Stromrichter für jede Phase in eine Richtung leitend bzw. nichtleitend ge­ schaltet werden. Im geschalteten Zustand (12 V-Ladungsmodus) wird nur die eine der beiden 12 V-Batterien aufgeladen, im nichtgeschalteten Zustand werden beiden Batterien gleichzeitig aufgeladen (24 V-Ladungsmodus).

Aufgabe der Erfindung ist, eine gattungsbildende Energieversor­ gungsschaltung dahingehend zu verbessern, daß sie für die An­ wendung im Kraftfahrzeug besser geeignet ist.

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

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung er­ möglicht eine 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 Mittelabgriff verbunden, so daß einmal +14 V gegen Masse und einmal -42 V gegen Masse stabil erzeugt werden. Darüber hinaus steht die volle Diffe­ renzspannung von 56 V zur Verfügung.

Ein Vorteil der dargestellten Energieversorgungsschal­ tung besteht darin, daß für die Anwendung im Kraftfahrzeug der Laststrom auf hohem Spannungsniveau allein oder über­ wiegend 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 Technik besteht darin, daß der Energiefluß nun bidirek­ tional möglich ist, womit jederzeit Ladungsaustausch zwi­ schen den Batterien möglich ist. Damit kann z. B. die Batte­ rie der 42 V-Seite durch einen spezialisierten Startspeicher z. B. einen Superkondensator ersetzt werden, welcher vor dem Start durch den anderen Energiespeicher aufgeladen werden kann. Die getrennt durchführbare Optimierung der Energiespeicher hinsichtlich Leistungsdichte auf der 42 V- Seite und Energiedichte auf der 14 V-Seite bringen beachtli­ che Vorteile hinsichtlich des Einbauraums und des Gewichts mit sich.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung erge­ ben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachste­ hend erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild der erfin­ dungsgemäßen Energieversorgungsschaltung, welche zwei in Serie geschaltete Energiespeicher 6, 7 (Batterie, Super­ kondensator etc.) zur Speisung von Verbrauchern 8, 9 um­ faßt, wobei zwischen dem Pluspol des ersten Energiespei­ chers 6 und dem Mittelabgriff 11 zwischen beiden Energie­ speichern 6, 7 eine erste Spannung 14 V zur Speisung erster Verbraucher 8 sowie zwischen dem Mittelabgriff 11 und dem Minuspol des zweiten Energiespeichers 7 eine zweite Versorgungsspannung -42 V zur Speisung zweiter Verbrau­ cher 9 abnehmbar ist. Der Mittelabgriff 11 ist mit der Fahr­ zeugmasse 10 verbunden. Weiterhin zeigt das Blockschalt­ bild einen fremdkraftgetriebenen Generator 1, welcher im Kraftfahrzeug von der Antriebsmaschine getrieben wird und im Ausführungsbeispiel als dreiphasiger Drehstromgenera­ tor ausgebildet ist. Der Generator gibt einen dreiphasigen Ausgangswechselsstrom i_a, i_b, i_c an zwei Stromrichterven­ tile 2, 3 ab. Das erste Stromrichterventil 2 erzeugt ausgangs­ seitig eine positive Spannung und ist mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers 6 verbunden. Das zweite Stromrich­ terventil 3 erzeugt ausgangsseitig eine negative Spannung und ist mit dem Minuspol des zweiten Energiespeichers 7 verbunden. Für einen Dreiphasigen Drehstromgenerator 1 können die beiden Stromrichterventile 2, 3 durch eine Sech­ spuls-Brückenschaltung gebildet werden. Die Sechspuls- Brückenschaltung kann mit Dioden oder wie in dem Aus­ führungsbeispiel mit nach dem Verfahren der Synchron­ gleichrichtung angesteuerten MOSFET-Transistoren ausge­ führt sein, womit Durchlaßverluste verringert werden.

Des weiteren ist eine Erregerstrom-Ansteuerung 13 vor­ gesehen, welche in an sich bekannter Weise den Erreger­ strom der Erregerwicklung 14 und damit den Magnetfluß im Generator 1 so einstellt, daß die Gesamtspannung U₊ + U_-, welche im Ausführungsbeispiel 56 V beträgt, konstant bleibt.

Erfindungsgemäß ist ein Mittelpunkts-Stromrichter 4 vor­ gesehen, welcher eingangsseitig von dem Ausgangswech­ selstrom des Generators 1 gespeist und ausgangsseitig mit dem Mittelabgriff 11 verbunden ist. Der Mittelpunkts- Stromrichter 4 gibt ausgangsseitig einen Ausgleichstrom ab und ist so ansteuerbar, daß sich ein gewünschtes Verhältnis zwischen erster und zweiter Spannung einstellt. In seiner Ausführung umfaßt der Mittelpunkts-Stromrichter 4 für jede Phase einen bidirektionalen Halbleiterschalter S1, S2, S3 mit symmetrischen Sperreigenschaften, welcher elektro­ nisch von einer Stromrichter-Ansteuerung 12 ansteuerbar ist. Durch eine geeignete Steuerung der Halbleiterschalter S1 bis S3 in den Strompfaden kann durch direkte Stromab­ leitung auf den Mittelabgriff 11 die Spannungsaufteilung an den Lasten beliebig, insbesondere auch unsymmetrisch ein­ gestellt 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-An­ schlüsse miteinander verbunden sind. Die durch MOSFET- Transistoren gebildeten Halbleiterschalter S1 bis S3 bilden jeweils einen in seiner Stromrichtung umschaltbare Strom­ richter. Insgesamt sind sie wie ein Dreipuls-Stromrichter in Mittelpunktsschaltung verschaltet. Um einen kontrollierten Strom auf dem jeweiligen Pfad durchzulassen sind die Halb­ leiterschalter 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 ei­ nem TRIAC gebildet sein, welche nach dem Verfahren der Phasenanschnittsteuerung (PC) ansteuerbar sind, um einen kontrollierten Strom auf dem jeweiligen Pfad durchzulas­ sen.

Die Ausführung des Mittelpunkts-Stromrichters 4 mit ak­ tiven Halbleiterschaltern ermöglicht beim PWM-Verfahren den Pulsbetrieb mit hoher Frequenz, so daß auf aufwendige Filter zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Lei­ stungsflusses verzichtet werden kann. Zudem fallen Unsym­ metrien in der erfindungsgemäßen Energieversorgungs­ schaltung wesentlich geringer aus, da die Spannung im Ein­ speisekreis, welche den Generatorklemmen aufgeschaltet wird, lediglich zwischen 42 V und 56 V springt.

Der allgemeine Erfindungsgedanke ist nicht nur auf drei­ phasige Generatoren sondern allgemein auf mehrphasige Drehfeldmaschine anwendbar, wobei die Stromrichterven­ tile 2, 3 und der Mittelpunkts-Stromrichter 4 entsprechend anzupassen sind.

Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 bis S3 ermit­ telt die Stromrichter-Ansteuerung 12 zunächst in an sich be­ kannter Weise durch kurzzeitiges Schließen jeweils eines der Halbleiterschalter S1 bis S3 und Aufnehmen des jewei­ ligen Stromwertes die Phasenströme im und bildet daraus den aktuellen Stromvektor. In Abhängigkeit der vorliegen­ den Batteriespannungen U₊ und U_- oder den entsprechen­ den 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 erfor­ derlichen Schaltzustände und Schaltzeiten für die Synchron­ gleichrichtung durch die MOSFET Transistoren in der Sechspuls-Brückenschaltung ermittelt werden und entspre­ chende Schaltsignale an die Stromrichterventile 2, 3 ausge­ geben werden.

Zur Vermeidung von elektromagnetischen Störfeldern ist es vorteilhaft, beim Pulsfrequenzmodulationsverfahren (PFC) oder beim Phasenanschnittsteuerungsverfahren (PC) die bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 so anzusteu­ ern, daß möglichst nur bei Nulldurchgängen des Stromes ge­ schaltet wird. Der Ladungsausgleich findet dann portions­ weise statt, was aber durch die großen Kapazitäten der Ener­ giespeicher geglättet wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Glättungs­ schaltung 5 vorgesehen, welche zumindest eine zwischen Ausgang des Mittelpunkts-Stromrichters 4 und Mittelab­ griff 11 eingefügte Spule L umfaßt. Desweiteren ist es vor­ teilhaft zum Schutz vor Spannungsspitzen Freilaufdioden D und Kondensatoren C vorzusehen. Die Spule kann, ange­ paßt an das gewählte Ansteuerungsverfahren, als Glättungs­ drossel ausgelegt werden, um die Restwelligkeit des durch den Mittelpunkt-Stromrichter 4 fließenden Gleichstromes zu glätten.

Alternativ kann bei Verwendung des Pulsweitenmodulati­ onsverfahrens (PWM) zur Ansteuerung des Mittelpunkt- Stromrichters 4 die Spule als nicht-dissipative Einschaltent­ lastung für die Halbleiterschalter S1 bis S3 dimensioniert werden. Die Flanken der geschalteten Ströme werden da­ durch abgeflacht, was die Schaltverluste vermindert. Dies wiederum ermöglicht die Schaltfrequenz der PWM-An­ steuerung von typischerweise 10-20 kHz zu erhöhen, was die Auflösung erhöht und den Ausgleichsstrom dadurch glättet.

Ein besonders vorteilhaftes Ansteuerungsverfahren für den Mittelpunkts-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 Resonanz­ schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz im MHz-Bereich ergibt. Erfindungsgemäß werden die bidirektionalen Halb­ leiterschalter S1 bis S3 synchron mit den angestoßenen Stromschwingungen des Resonanzschwingkreis angesteu­ ert, wobei die Halbleiterschalter S1 bis S3 möglichst nur in Strom- bzw. Spannungsnulldurchgängen des Ausgleichstro­ mes geschaltet werden. Durch die synchrone Ansteuerung mit der Resonanzschwingung ist ein weitgehend verlust­ freies Schalten möglich. Gleichzeitig ist aufgrund der hohen Abtastrate die Stromwelligkeit gering, was den Glättungs­ aufwand vermindert.

Ein Vorteil der dargestellten Energieversorgungsschal­ tung besteht darin, daß für die Anwendung im Kraftfahrzeug der Laststrom auf hohem Spannungsniveau allein oder über­ wiegend nur durch die beiden Stromrichterventile 2, 3 fließt, wodurch die Durchlaß- und Wärmeverluste gering gehalten werden. Es beginnt sich nämlich abzuzeichnen, daß in ei­ nem zukünftigen Zweispannungsbordnetz die Leistung auf der 14 V-Seite ungefähr noch 25%, die auf der 42 V-Seite da­ gegen ca. 75% der augenblicklichen Leistungsaufnahme be­ tragen wird. Unter Beachtung der vorgegebenen unsymme­ trischen Spannungsaufteilung sind die in beide Verbraucher eingespeisten Lastströme nahezu identisch. In diesem Nenn­ betriebspunkt, nachfolgend ausbalancierte Belastung ge­ nannt, fließt der Strom aus einer Generatorphase, durch ein Ventil des Stromrichterventils 2 in die (+)14 V-Seite, durch die beiden Verbraucher 8, 9 und auf der (-)42 V-Seite durch ein Ventil des Stromrichterventils 3 wieder in eine andere Generatorphase zurück. Bei ausbalancierter Belastung fließt daher kein Strom über den verlustbehafteten Mittelpunkts- Stromrichter 4 zum Mittelabgriff 11 bzw. zur Fahrzeug­ masse 10.

Bei Abweichungen vom Nennbetrieb durch unterschied­ liche Stromaufnahme der 14 V- und -42 V-Verbraucher ent­ steht eine nichtausbalancierte Belastung. Daraus resultiert ein Differenz- oder Ausgleichsstrom, welcher je nach Last­ verteilung durch einen der beiden Energiespeicher 6, 7 fließt. Infolgedessen verschiebt sich das Massepotential ent­ weder nach oben oder nach unten. Wenn das Batteriemana­ gement die Belastung zuläßt, wird der Differenzstrom der entsprechenden Batterie entnommen. Ist eine solche Bela­ stung der Batterie nicht zugelassen, so daß der Ausgleichs­ strom nicht der Batterie entnehmbar ist, leiten die bidirektio­ nalen 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 un­ symmetrischer Lastverteilung das Massepotential einprägt. Sind die zu erwartenden Unsymmetrien und Ausgleichs­ ströme gering, braucht der Mittelpunkts-Stromrichter 4 nicht dreiphasig ausgelegt zu werden. Es genügen dann be­ reits zwei oder gar eine Phase.

Ein weitere Vorteil besteht in der geringen Stromwellig­ keit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung gerade im Bereich hoher ausbalancierter Last, wo nur die Stromrichterventile 2, 3 (Sechspuls-Brückenschaltung) in Betrieb sind, wie bereits dargestellt. Hier besitzt der Strom die für die Sechspuls-Brückenschaltung charakteristische sehr geringe Welligkeit, weshalb auf zusätzliche Maßnah­ men zur Strom-Filterung verzichtet werden kann.

In vorteilhafter Weise unterscheidet sich die erfindungs­ gemäße Energieversorgungsschaltung von der eingangs be­ schriebenen Schaltung der EP 464 694 A2 auch darin, daß die Stromspeisung der Verbraucher nicht alternierend er­ folgt sondern kontinuierlich. Drehmomentpendelungen und Magnetfeldunsymmetrie im Generator werden daher ver­ mieden. Auch fließt der gesamte Laststrom nicht mehr über einen Thyristor-Kathodenstern mit hoher Durchlaßspan­ nung.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Energieversor­ gungsschaltung in eine Betriebsweise versetzbar ist, bei der Energieaustausch zwischen beiden Energiespeichern 6, 7 möglich ist. Dazu werden die Stromrichterventile 2, 3 und die bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 so angesteu­ ert, daß von dem einen Energiespeicher Strompulse in die Generatorwicklung eingespeist werden, welche phasenver­ schoben in den anderen Energiespeicher eingespeist wer­ den. So gelingt es selbst bei Generatorstillstand Energie von der 14 V-Seite auf die 42 V-Seite zu transferieren und umge­ kehrt. Dies ist von Vorteil, wenn zur Stützung der 42 V-Seite ein Superkondensator für den Startvorgang vorgesehen ist, weil keine zusätzliche Ladeschaltung benötigt wird: Vor dem Anlaßvorgang wird der Kondensator von der Batterie der 14 V-Seite aus nach- bzw. aufgeladen. Aber auch bei schlecht geladener Starterbatterie oder wenn deren Lebens­ dauer überschritten ist, kann vorheriges Laden möglicher­ weise noch einen Startvorgang herbeiführen. Insgesamt wird also die Startsicherheit erhöht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Energiever­ sorgungsschaltung ist, daß der Generator 1 in der Lage ist, bereits bei geringer Drehzahl Strom abzugeben, womit der Generatoreinsatzpunkt erniedrigt ist: Damit die Sechspuls- Brückenschaltung der Stromrichterventile 2, 3 als Ein­ speise-Stromrichter arbeiten kann, muß die verkettete Span­ nung am Generator 1 größer sein als die Gleichspannung im Einspeisekreis. Die erfindungsgemäße Energieversorgungs­ schaltung besitzt insgesamt die drei Einspeisekreise für 14 V, 42 V und 56 V Gleichspannung (DC), weshalb der Generator 1 für den Nennbetrieb von 56 V DC zu bemessen ist. Bereits bei sehr geringer Drehzahl, weit unterhalb der Einsatzdreh­ zahl heutiger Gereratoren, wird der 14 V-Kreis mit vollem Nennstrom gespeist. Die beiden restlichen Kreise folgen dann mit wachsender Drehzahl nach. Dies ist ein wesentli­ cher Vorteil gegenüber solchen Schaltung, bei denen das niedrigere Spannungsniveau aus einem höheren abgeleitet wird.

Wenn die bidirektionalen Schalter S1 bis S3 des Mittel­ punkt-Stromrichters 4 durch MOSFET-Transistoren gebil­ det werden, ist es möglich diese so anzusteuern, daß der Ge­ nerator auch bei Drehzahlen unterhalb des Einsatzpunktes bereits Strom in das Bordnetz speisen kann. Dazu werden durch pulsweises Kurzschließen der Generatorklemmen Strompulse in den Generatorwicklungen induziert, welche bei Aufhebung des Kurzschlusses über die Stromrichterven­ tile 2, 3 in das Bordnetz einspeisbar sind. Je nach Ansteue­ rung 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 Pulsverfah­ ren nicht nur unterhalb der Einsatzdrehzahl einsetzbar ist, sondern auch der normalen Betriebsweise oberhalb des Ein­ satzpunktes überlagert werden kann. Insgesamt ist mit die­ sem Verfahren der Generator in der Lage bei jeder Drehzahl Strom abzugeben, womit die Einsatzdrehzahl des Genera­ tors aufgehoben ist. Dies erlaubt wiederum den Generator kleiner zu dimensionieren.

Des weiteren ist es möglich, durch entsprechende An­ steuerung der bidirektionalen Halbleiterschalter S1 bis S3 die Blindleistung des Generators einzustellen. Dies ermög­ licht, bei einem wassergekühlten Generator dessen Ab­ wärme gezielt zu Heizzwecken heranzuziehen.

Ferner ermöglicht die Einstellbarkeit der Blindleistung eine Entkopplung zwischen der trägen Zeitkonstanten des Erregerkreises des Generators und der Stromanregelzeiten, indem der im Generator als Blindleistung vorgehaltene Strom bedarfsweise als Wirkstrom kurzzeitig abgebbar ist. Dies ist von Vorteil, wenn Verbraucher an das Bornetz ange­ schlossen sind, die ihre Leistung pulsweise beziehen wie z. B. die EMVS.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung er­ weist sich aufgrund ihrer Regelungsdynamik als vergleichs­ weise unempfindlich gegenüber plötzliche Lastwechsel (Load-Dump-Schutz). Darüberhinaus ist auch ein aktiver Überspannungsschutz leicht ausführbar: Durch Schließen der Halbleiterschalter S1 bis S3 in dem Mittelpunkts-Strom­ richter 4 werden die Wicklungen des Generators 1 kurzge­ schlossen, wodurch Spannungsspitzen von im Bordnetz auf­ tretenden Überspannungen schnell abgebaut werden.

Claims (14)

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,
einen Mittelpunkts-Stromrichter, welcher eingangsseitig von dem Ausgangswechselstrom des Generators gespeist und aus­ gangsseitig mit dem Mittelabgriff verbunden ist, wobei der Mittelpunkts-Stromrichter so ansteuerbar ist, daß sich auf­ grund ausgangsseitig abgegebener Ausgleichsströme ein ge­ wünschtes Verhältnis zwischen erster und zweiter Spannung einstellt
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittelpunkts-Stromrichter (4) für jede Phase einen bi­ direktionalen Halbleiterschalter (S1 bis S3) mit symmetrischen Sperreigenschaften aufweist.

2. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, 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 MOS- FET-Transistoren gebildet werden.

3. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, 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.

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

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

6. Energieversorungsschaltung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Pulsweitenmodulationsverfahrens (PWM) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (S1 bis S3) die Spule (L) als nicht-dissipative Einschaltentlastung dimensioniert ist.

7. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1 und 5, 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.

8. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (S1 bis S3) weitgehend nur in Strom- oder Spannungsnulldurchgängen des Ausgleichsstromes geschaltet werden.

9. Energieversorungsschaltung nach Anspruch 1, 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.

10. 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.

11. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 10, 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.

12. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, 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.

13. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, 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.

14. Energieversorgungsschaltung nach Anspruch 1, 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.