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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Bordnetz mit zwei unterschiedlichen
Gleichspannungsniveaus, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 definierten Gattung.
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Zukünftige Bordnetze,
insbesondere von Kraftfahrzeugen, werden zum Teil deutlich höhere elektrische
Leistungen als die heutigen aufweisen müssen, beispielsweise von 4
bis 6 Kilowatt Leistung. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn
heute mechanisch angetriebene Nebenaggregate in der Zukunft elektrisch
angetrieben werden. Diese hohen Leistungen sind sinnvoll nur an
einer höheren
Spannung, beispielsweise einer Gleichspannung von 36 Volt Nennspannung,
zu erbringen, da ansonsten die notwendigen Ströme zu groß werden. Aufgrund der vielen
dafür angepaßten heutigen
Verbraucher wird das 12 Volt Bordnetz mit Sicherheit beibehalten
werden. Es werden somit in der Zukunft Bordnetze mit zwei verschiedenen
Gleichspannungsniveaus, von beispielsweise 12 Volt und 36 Volt Nennspannung, benötigt werden.
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Bei
bereits vorgeschlagenen herkömmlichen Lösungen wird
mit einer elektrischen Maschine, die meist eine elektrisch erregte
Synchronmaschine in Klauenpolform ist, eine Leistung auf einem konstanten
Spannungsniveaus von üblicherweise
36 Volt Nennspannung umgesetzt. Diese Leistung wird mit einem zusätzlichen
elektronischen Steuergerät,
einem sogenannten Tiefsetzsteller dann auf die niedrigere Nennspannung
von 12 Volt gebracht. Bei dieser bekannten Lösung wird zur Erzeugung des
zweiten Spannungsniveaus ein zusätzlicher
Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler benötigt.
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Aus
der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeligenden
DE 197 09 298 A1 ist ein
Bordnetz mit zwei unterschiedlichen Gleichspannungsniveaus bekannt,
beispielsweise für
Kraftfahrzeuge, bei dem eine elektrische Maschine für ihre Leistung
in jeweils einen Gleichspannungskreis einspeist. Als elektrische
Maschine wird eine Asynchronmaschine eingesetzt. Ein Wechselrichter
ist auf der einen Seite der Asynchronmaschine angeschlossen, während an
der anderen Seite ein Kondensator, der sogenannte Zwischenkreiskondensator,
angeschlossen ist, sowie eine Batterie bzw. der zugehörige Gleichspannungskreis
des einen Spannungsniveaus oder der Gleichspannungskreis des anderen
Spannungsniveaus, der parallel zum Kondensator schaltbar ist.
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Aus
der
EP 0 762 595 A2 ist
eine Spannungsregelungsvorrichtung für einen Wechselspannungsgenerator
bekannt, bei dem Umschalter vorgesehen sind, die eine lastfreie
Umschaltung ermöglichen.
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Die
US 4 090 122 A zeigt
eine Spannungsversorgungseinrichtung für zwei Batterien in einem Fahrzeugbordnetz.
Dabei ist eine der Batterien eine Batterie mit hoher Kapazität, während die
andere Batterie die Standardbatterie eines Fahrzeugs ist. Der Generator
kann dabei wechselweise mit der einen oder anderen Batterie verbunden
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Bordnetz derart
weiterzubilden, dass bei Beibehaltung der ständigen Betriebsbereitschaft
beider Gleichspannungskreise der zusätzliche Gleichspannungswandler
eingespart werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäß gestaltete
Bordnetz mit zwei unterschiedlichen Gleichspannungsniveaus, insbesondere
für Kraftfahrzeuge,
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil des
wesentlichen einfacheren Aufbaus der elektrischen Maschine und der
Einsparung eines zusätzlichen
Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandlers. Es ist somit auf einfache
Weise kostengünstig
mit herkömmlichen
Mitteln zu realisieren. Außerdem
wird eine wesentlich robustere elektrische Maschine verwendet.
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Bei
dem Bordnetz nach der Erfindung wird dazu prinzipiell als elektrische
Maschine eine Asynchronmaschine vorgesehen sowie ein Wechselrichter,
an den auf der einen Seite die Asynchronmaschine angeschlossen ist
und auf der anderen Seite ein Kondensator, der sogenannte Zwischenkreiskondensator,
und wobei ein Umschalter vorgesehen ist, über welchen entweder eine Batterie
bzw. der Gleichspannungskreis des einen Spannungsniveaus oder eine Batterie
bzw. der Gleichspannungskreis des anderen Spannungsniveaus parallel
zum Kondensator schaltbar ist.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
niedergelegten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Bordnetzes möglich.
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Nach
einer zweckmäßigen Weiterbildung
der Erfindung ist vorgesehen, daß als Wechselrichter ein Pulswechselrichter
verwendet wird.
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In
bevorzugter vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bordnetzes
ist der Umschalter ein langsam schaltender Umschalter. In zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung erfolgt die Umschaltung von einem Spannungsniveau
auf das andere bei lastfreier Asynchronmaschine und zwar dann, wenn
der Wechselrichtergleichstrom den Wert Null hat.
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In
besonderes vorteilhafter und zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung
ist ein Batteriebeobachter vorgesehen, welcher durch geeignete Steuerung
des Umschalters durch Umschaltung der Asynchronmaschine von dem
einen auf das andere Spannungsniveau dafür sorgt, daß jede Batterie optimal geladen
wird bzw. bleibt und jeder Gleichspannungskreis möglichst
bedarfsgerecht versorgt wird.
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Als
Spannungsniveaus der beiden Gleichspannungskreise sind entsprechend
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung 12 Volt und 36 Volt Nennspannung
vorgesehen.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
der Erfindung ist die Asynchronmaschine mechanisch fest mit dem
antreibenden Motor, insbesondere einem Verbrennungsmotor, gekoppelt.
Dadurch wird sichergestellt, daß eine
höhere
mechanische Leistung bei Nachfrage der erhöhten elektrischen Leistung
sicher übertragen
werden kann. Die sichere Übertragung von
6 kW elektrischer Leistung über Keilriemenantrieb
oder eventuell auch Zahnriemenantrieb erscheint zweifelhaft. In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung dieser festen Kopplung ist
die Asynchronmaschine mechanisch fest in direkten Antrieb mit der Kurbelwelle
eines Kraftfahrzeuges angeordnet oder sie ist durch einen Nebenabtrieb
des Getriebes des Kraftfahrzeugs mechanisch direkt antreibbar angeordnet.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren zeigen im
einzelnen:
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1 schematisch
in einem Blockschaltbild den Aufbau des erfindungsgemäß gestalteten
Bordnetzes mit zwei unterschiedlichen Gleichspannungsniveaus, und
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2 in
größeren Einzelheiten
im Blockschaltbild die Brückenschaltung
des in 1 verwendeten Wechselrichters.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
in einem Blockschaltbild der Aufbau des erfindungsgemäß gestalteten
Bordnetzes mit zwei unterschiedlichen Gleichspannungsniveaus dargestellt.
Eine Asynchronmaschine 1 arbeitet mit ihren drei Strängen dreiphasig
auf drei Eingänge 2, 3 und 4 eines
Wechselrichters 5. Der Wechselrichter 5 enthält eine
Brückenschaltung 6,
die zwei Gleichspannungsanschlüsse 7 und 8 aufweist.
An diese Gleichspannungsanschlüsse 7 und 8 ist
ein Kondensator 9, der als Zwischenkreiskondensator bezeichnet
wird und den Gleichstrom-Zwischenkreis bildet, mit seinen zwei Polen
angeschlossen. Über
einen Umschalter 10, der an den Gleichspannungsanschluß 7 der
Brückenschaltung 6 angeschlossen
ist, wird entweder eine Batterie 11 eines ersten Spannungsniveaus,
von beispielsweise 36 Volt Nennspannung, oder eine zweite Batterie 12 mit
einem zweiten Gleichspannungsniveau, von beispielsweise 12 Volt Nennspannung,
angeschlossen. Der zweite Pol der Batterien 11 bzw. 12 ist
mit dem zweiten Pol des Kondensators 9 und dem zweiten
Gleichspannungsanschluß 8 der
Brückenschaltung 6 verbunden.
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Als
Wechselrichter 5 wird vorzugsweise ein Pulswechselrichter
verwendet. Dieser Pulswechselrichter arbeitet abwechselnd auf einen
Gleichstrom-Zwischenkreis mit einer Spannung von 36 Volt oder auf
einen Zwischenkreis mit einer Spannung von 12 Volt. Die Umschaltung
von dem einen Gleichspannungsniveau auf das andere Gleichspannungsniveau
erfolgt im lastfreien Zustand der Asynchronmaschine 1,
und zwar dann, wenn der Wechselrichtergleichstrom IWR den
Wert Null hat. Während
des Umschaltens liefert die Anordnung somit keine Leistung. Nach
erfolgter Umschaltung fließt
zunächst
ein Ausgleichsstrom zwischen der jeweils angeschlossenen Batterie 11 oder 12 und
dem Kondensator 9. Bei Umschaltung des Gleichstrom-Zwischenkreises
von dem niedrigeren Spannungsniveau, von beispielsweise 12 Volt,
auf das höhere
Spannungsniveau, von beispielsweise 36 Volt, wird der Kondensator 9 durch die
Batterie 11 mit dem höheren
Spannungsniveau zunächst
auf dieses Spannungsniveau aufgeladen. Nach erfolgter Aufladung
kann die Anordnung wieder Leistung liefern. Bei der Umschaltung
des Gleichstrom-Zwischenkreises von dem höheren Spannungsniveau auf das
niedrigere Spannungsniveau, also beispielsweise von 36 Volt auf
12 Volt, wird der Kondensator 9 durch die angeschlossene
Batterie 12 mit dem niedrigen Spannungsniveau zunächst auf
12 Volt, d. h. auf das niedrigere Spannungsniveau hin, entladen.
Dann kann die Anlage wieder Leistung liefern.
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Die
Umschaltung der Zwischenkreisspannung entspricht einer Umschaltung
der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine 1.
Bei der niedrigeren Spannung von beispielsweise 12 Volt kann nur
1/3 der Leistung, die bei der um den Faktor drei höheren Spannung,
von beispielsweise 36 Volt, möglich
ist, dargestellt werden. Dies erfolgt bei einer um den Faktor drei
geringeren Drehzahl. Die geringere Leistung auf dem niedrigeren
12 Volt Spannungsniveau ist jedoch nicht als Nachteil anzusehen,
da bei zukünftigen
Bordnetzen die hohe Leistung von elektrischen Verbrauchern ohnehin
auf dem höheren
Spannungsniveau zu erbringen sein wird.
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Die
mit 6 in 1 bezeichnete dreiphasige Wechselrichter-Brückenschaltung
ist in 2 mit ihren wesentlichen Elementen dargestellt.
An die Phase 2 ist in der entsprechenden Brückenhälfte ein Transistor
T1 mit parallel geschalteter Diode D1 zum Gleichspannungsanschluß 7 hin
angeordnet und ein Transistor T4 mit parallel geschalteter Diode
D4 zum Gleichspannungsanschluß 8 hin
geschaltet. An die Phase 3 ist die Gleichspannungsbrücke mit
dem Transistor T2 und der parallel geschalteten Diode D2 zum Gleichspannungsanschluß 7 und
der Transistor T5 mit der parallel geschalteten Diode D5 zum Gleichspannungsanschluß 8 geschaltet.
Die dritte Phase 4 ist zum einen über den Transistor T3 und der parallel
geschalteten Diode D3 zum Gleichspannungsanschluß 7 und zum anderen über den
Transistor T6 mit der parallel geschalteten Diode D6 zum anderen
Gleichspannungsanschluß 8 geschaltet.
Somit ist hier eine dreiphasige Brückenschaltung dargestellt,
die einerseits für
die Bereitstellung einer Gleichspannung an den Gleichspannungsanschlüssen 7 und 8 und
damit am sogenannten Zwischenkreiskondensator 9 dient,
wenn die Asynchronmaschine 1 Leistung abgibt, oder die
andererseits die Asynchronmaschine 1 mit Dreiphasenstrom
versorgt, wenn diese als Motor betrieben wird und Gleichspannung
an den Gleichspannungsanschlüssen 7 und 8 eingespeist
wird.
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Für die Regelung
des Wechselrichters 5 ist ein geeignetes Steuerungsverfahren
vorzusehen. Dabei ist gemäß der Erfindung
ein Batteriebeobachter vorgesehen, der durch geeignete Steuerung
des Umschalters 10 dafür
sorgt, daß die
Asynchronmaschine 1 über
den Gleichstrom-Zwischenkreis entweder auf die Batterie 11 oder
die Batterie 12 Leistung abgibt, damit diese jeweils optimal
geladen sind. Die Batterien 11 und 12 stehen in
der Darstellung der 1 auch für die diesen Spannungsniveaus
entsprechenden Gleichspannungskreise, die nicht näher dargestellt
sind. Somit werden auch diese durch den Batteriebeobachter in der
möglichst
optimalen Weise mit Leistung auf dem jeweiligen Spannungsniveau
versorgt. Der verwendete Umschalter 10 ist ein langsamer
Umschalter und daher kostengünstig
realisierbar.
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Die
sichere Übertragung
von höherer
elektrischer Leistung wie beispielsweise 6 kW über Keilriemenantrieb oder
eventuell auch mittels Zahnriemenantrieb erscheint zweifelhaft.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird sichergestellt, daß eine höhere mechanische
Leistung sicher bei Nachfrage der erhöhten elektrischen Leistung übertragen
werden kann. Dazu wird die Asynchronmaschine mechanisch fest mit
dem Motor gekoppelt. Hierzu ist die Asynchronmaschine mechanisch
fest in direkten Antrieb mit der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeuges
angeordnet oder die Asynchronmaschine ist durch einen Nebenabtrieb
des Getriebes des Kraftfahrzeugs mechanisch direkt antreibbar angeordnet.
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Der
Vorteil, welcher mit der Erfindung zu erzielen ist, liegt in der
Bereitstellung eines einfachen, ohne Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler auskommenden
Bordnetzes und der Verwendung einer Asynchronmaschine, die gegenüber sonstigen Maschinen
wesentlich robuster, platzsparender und einfacher ist. Diese robuste
und einfache Asynchronmaschine kann auch im Bereich der Kurbelwelle
und des Schwungradbereiches eines Verbrennungsmotors eingesetzt
werden, da sie von wesentlich kleinerer Bauart und damit platzsparend
ist. In geeigneter Ausgestaltung kann die Asynchronmaschine demnach
nicht nur als Generator sondern auch als Motor im Sinne eines Anlassers
Verwendung finden und damit einen sogenannten Starter-Generator-Antrieb realisieren.