DE19915973C1

DE19915973C1 - Verfahren zur Regelung der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE19915973C1
Application number: DE1999115973
Authority: DE
Inventors: Stefan Maiwald; Georg Sterler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2019-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Bordnetzspannung eines von einem Motor angetriebenen Kraftfahrzeugs. Um die Belastung einer Fahrzeugbatterie (B) bei Stillstand des Motors zu verringern, wird erfindungsgemäß eine Spannungsabsenkung vorgenommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Bordnetzspannung bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen beträgt normalerweise ca. 14 V. Im Fahrbetrieb wird diese Spannung von einem vom Motor des Fahrzeugs angetriebenen Generator geliefert. Dieser Generator dient zur Spannungsversorgung der einzelnen Verbraucher im Fahrzeug sowie zum Laden der Fahrzeugbatterie.

Bei Motorstillstand wird die Bordnetzspannung allein durch die Fahr zeugbatterie geliefert.

Alle elektrischen Verbraucher im Fahrzeug werden über das Bordnetz mit einer fest vorgegebenen Bordnetzspannung (Fahrzeugbatterie bzw. Generator) gespeist. Verbraucher sind z. B. Anlasser, Katalysatorheizung, Klimaanlage, Gebläse, Scheinwerfer, Innenraumleuchten, Kombiinstrument sowie verschiedene Elektronikeinheiten (z. B. Steuergeräte). Die Stromaufnahme dieser Verbraucher überdeckt einen Bereich von ca. 60 A bis 10 mA.

Beim Motorstart kann die Bordnetzspannung kurzfristig auf einen Wert von ca. 6 V absinken. Deshalb sind insbesondere die Steuergeräte so ausgelegt, daß sie auch bei dieser relativ niedrigen Versorgungsspannung voll funktionstüchtig sind.

Die Steuergeräte sind zwar bei ca. 6 V Versorgungsspannung funktionstüchtig, sie werden aber fast ausschließlich bei einer höheren Spannung, der normalen Bordnetzspannung von ca. 14 V, betrieben. Dies bedeutet aber, daß die Steuergeräte bei 14 V Bordnetzspannung mehr Leistung aufnehmen als für ihren eigentlichen Betrieb notwendig ist.

Im Fahrbetrieb des Fahrzeuges ist diese erhöhte Leistungsaufnahme unerheblich gegenüber den anderen im Betrieb befindlichen Verbrauchern.

Bei Motorstillstand, bei dem fast alle Verbraucher bis auf die Steuergeräte abgeschaltet sind, bedeutet dieser "Ruhestrom" jedoch eine erhebliche permanente Belastung der Fahrzeugbatterie. Dies insbesondere deshalb, weil die Anzahl der Steuergeräte im Fahrzeug, die permanent mit Strom versorgt werden müssen, immer mehr zunimmt. Die Belastung der Fahrzeugbatterie sollte bei Motorstillstand so gering wie möglich gehalten werden, um auch nach einem längeren Stillstand ein sicheres Starten des Motors zu gewährleisten und um ein zyklisches Entladen der Fahrzeugbatterie zu vermeiden.

Die gleichen Überlegungen wie oben gelten auch für Kraftfahrzeuge mit einem 42 V Bordnetz. Bei derartigen Kraftfahrzeugen wird die 42 V Betriebsspannung für gewisse Verbraucher über einen DC/DC-Wandler auf 14 V transformiert, um die "richtige" Versorgungsspannung für diese 14 V- Verbraucher zu gewährleisten. Auch hier ist die Leistungsaufnahme insbesondere der Steuergeräte, die üblicherweise mit 14 V versorgt werden, bei Motorstillstand beachtlich, was ebenfalls eine erhebliche permanente Belastung der 42 V Fahrzeugbatterie darstellt.

Darüber hinaus wird im Dokument DE 40 41 620 A1 eine Einrichtung zur Spannungsversorgung bei Geräten mit Nachlauf beschrieben. Die Einrich tung stellt mittels eines Steuergerätes mit Abschaltlogik verschiedene Span nungen bereit. Eine dieser drei Spannungen ist als geregelte Permanent spannung ausgebildet, so dass nach Abschalten eines Motors einzelne Ein richtungen in einen Fahrzeug mit Spannung versorgt werden und funktions tüchtig sind. Diese Schrift betrifft ausschließlich die Abschaltlogik. Durch die Abschaltlogik wird ein rechtzeitiges und sicheres Abschalten des Steuerge räts nach Erledigung der Nachlaufaufgaben gewährleistet und darüber hin aus verhindert, daß ein unbeabsichtigtes Abschalten im Normalbetrieb er folgt. Der Aufbau der Abschaltlogik ist sehr kompliziert und aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das eine Senkung des Ruhestromverbrauchs bei Motorstillstand insbesondere der Steuergeräte ermöglicht und das einfach und kostengünstig realisierbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfah rensschritte.

Wesentliche Idee der Erfindung ist es, bei Motorstillstand die Bordnetz spannung zur Verringerung des Ruhestromverbrauchs der Steuergeräte abzusenken. In der Regel sind bei Motorstillstand nicht nur ein sondern mehrere Steuergeräte permanent eingeschaltet. Die Leistungsaufnahme des/der Steuergeräte(s) wird durch die Spannungsabsenkung erheblich verringert und dadurch auch die Belastung der Fahrzeugbatterie.

Weiterhin ist vorgesehen, die Absenkung der Bordnetzspannung in Abhängigkeit des Gesamtstroms I_ges im Bordnetz durchzuführen. Über den Gesamtstrom I_ges läßt sich in einfacher Weise feststellen, in welcher Art "Ruhezustand" sich das Kraftfahrzeug befindet. Auch bei Motorstillstand können unterschiedliche Verbraucher im Fahrzeug noch manuell geschaltet werden (z. B. Radioanlage, Standlicht, Warnblinkanlage etc.). Eine Absenkung der Bordnetzspannung auf ca. 6 V ist hierbei sicher nicht sinnvoll, da dies die Wiedergabequalität der Radioanlage sowie die Lichtintensität des Standlichtes und der Warnblinkanlage verringern würde. Ob derartige Verbraucher eingeschaltet sind, läßt sich einfach über den Gesamtstrom I_ges bestimmen. Sind keine manuell schaltbare Verbraucher im Einsatz, d. h. I_ges kleiner als ein Grenzstrom I₀, so erfolgt eine Spannungsabsenkung auf ca. 6 V.

Um die Energieverluste, die bei einem DC/DC-Wandler auftreten, so gering wie möglich zu halten, ist vorgesehen, das Bordnetz alternativ über den DC/DC-Wandler bzw. über die Fahrzeugbatterie mit Spannung zu versorgen. Nur wenn tatsächlich eine Spannungsabsenkung erfolgt, wird das Bordnetz über den DC/DC-Wandler versorgt. Andernfalls ist die Fahrzeugbatterie direkt mit dem Bordnetz verbunden. Dadurch, daß der DC/DC-Wandler nur für einen Gesamtstrom I_ges kleiner als der Grenzstrom I₀ ausgelegt werden muß, kann der DC/DC-Wandler einfach und kostengünstig ausgelegt sein. Bei einem 42 V Bordnetz ist entweder eine separate 14 V Fahrzeugbatterie oder ein DC/DC-Wandler, der die 42 V auf 14 V transformiert, notwendig. Um den Energieverbrauch des DC/DC-Wandlers so gering wie möglich zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen separaten DC/DC-Wandler bei einer Spannungsabsenkung einzusetzen.

Gemäß Anspruch 5 wird dem 14 V Bordnetz ein Superkondensator parallel geschaltet, um einen Energiepuffer mit variabler Spannung bereitzustellen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 14 V Bordnetz mit DC/DC-Wandler

Fig. 2 42 V Bordnetz mit DC/DC-Wandler

Fig. 3 42 V Bordnetz gemäß Fig. 2 mit zusätzlichem Superkondensator

Das Bordnetz 10 eines Kraftfahrzeuges wird über einen Generator G bzw. einer Batterie B mit Spannung versorgt. Die Leitung KL 30 führt zu einem Verbraucher R_L der die Gesamtheit aller Verbraucher im Fahrzeug darstellt. In der Leitung KL 30 ist ein von einer Steuereinheit S ansteuerbaren Schalter S1 angeordnet. Der Schalter S1 wird von einer Leitung L1 überbrückt, in der ein DC/DC-Wandler D angeordnet ist. DC/DC-Wandler D und Steuereinheit S sind über zwei Steuerleitungen L3 und L5 miteinander verbunden.

Sind keine manuell betätigbaren Verbraucher im Bordnetz eingeschaltet, so stellt R_L insbesondere alle permanent eingeschalteten Steuergeräte dar.

Fig. 2 zeigt ein 42 V Bordnetz 20. Das Bordnetz 20 ist in das eigentliche 42 V Teilnetz 20a sowie in ein 14 V Bordnetz 20b unterteilt. Die wesentlichen Komponenten des Bordnetzes 20a sind ein Generator G und eine Batterie B in Parallelschaltung. Alle Verbraucher des 42 V Bordnetzes 20a sind im Widerstand R1 zusammengefaßt. Das 42 V Bordnetz 20a und das 14 V Bordnetz 20b sind über einen DC/DC-Wandler D1 miteinander verbunden. Die 14 V Verbraucher im 14 V Bordnetz 20b sind im Widerstand R_L zusammengefaßt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das um einen Superkondensator CS im 14 V Bordnetz 20b erweitert ist. Der Superkondensator CS ist parallel zum Widerstand R_L geschaltet. An sich bekannte Superkondensatoren weisen eine erheblich höhere Kapazität als herkömmliche Kondensatoren auf.

Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung anhand dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 näher erläutert.

Bei Motorstillstand sind normalerweise nur einige Steuergeräte des Fahrzeugs in Betrieb. Der Zustand Motorstillstand wird im Steuergerät S erkannt. Wenn der Gesamtstrom I_ges kleiner als der Grenzstrom I₀ ist, steuert das Steuergerät S daraufhin den Schalter S1 an, um diesen zu öffnen. Gleichzeitig wird der DC/DC-Wandler D aktiviert. Die Eingangsspannung Ub ≈ 14 V des DC/DC-Wandlers D wird dabei auf eine Ausgangsspannung U1, abgesenkt. Je größer die Absenkung, desto geringer wird der Ruhestromverbrauch und damit die Belastung der Batterie B. U1 darf aber nicht unterhalb einer Mindestspannung Umin liegen, bei der die im Betrieb befindlichen Steuergeräte nicht mehr funktionstüchtig sind. Der Wert Umin ist steuergeräteabhängig. Ein Richtwert für U1 ist ca. 6 V.

Die Ausgangsspannung U1 kann fest vorgegeben oder variabel einstellbar sein. Aus Kostengründen wird ein DC/DC-Wandler mit fester Ausgangsspannung U1 bevorzugt.

Dadurch, daß der DC/DC-Wandler D nur für eine äußerst geringe Last ausgelegt werden muß, im Prinzip den maximalen Ruhestrom aller permanent eingeschalteten Verbraucher, kann dieser relativ klein dimensioniert werden. So ist die gesamte Lösung relativ einfach realisierbar, da zusätzlich zum DC/DC-Wandler D nur ein Schalter S1 ins Bordnetz integriert werden muß.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird der Gesamtstrom I_ges im Bordnetz 10 bestimmt. Diese Bestimmung kann mittels eines entsprechenden Meßgerätes erfolgen. Unterschreitet I_ges einen Grenzstrom I₀, so ist sichergestellt, daß keine manuell schaltbare Verbraucher mehr eingeschaltet sind, und nur die absolut notwendigen Verbraucher wie z. B. Motorsteuergerät, Steuergerät für die Diebstahlwarnanlage, etc. mit Spannung versorgt werden. In diesem Fall erfolgt eine Spannungsabsenkung wie oben beschrieben auf U1 ≈ 6 V bei geöffnetem Schalter S1.

Sind zusätzliche Verbraucher eingeschaltet, d. h. I_ges < I₀, so wird der Schalter S1 geschlossen und der DC/DC-Wandler D abgeschaltet. Alle Fahrzeugverbraucher sind somit direkt an KL 30 angeschlossen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die 42 V Bord netzspannung mit Hilfe des DC/DC-Wandler D1 auf 14 V reduziert. Bei Motorstillstand und einem geringen Gesamtstrom I_ges < I₀ wird hier die Spannung U1 auf ca. 6 V reduziert. Hierzu wird der DC/DC-Wandler D vom Steuergerät S entsprechend angesteuert. Insbesondere bei länger anhal tendem Motorstillstand wird die Ruhestromaufnahme der absolut not wendigen Verbraucher im Fahrzeug erheblich reduziert, was zu einer gerin geren Belastung der Fahrzeugbatterie B führt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dient ein Superkondensator CS erfindungsgemäß als Batterie mit variabler Betriebsspannung. Hierbei kann je nach Spannungsbedarf im Bordnetz 20b die Ausgangsspannung U_c des Kondensators CS eingestellt werden. Da der Superkondensator CS eine relativ hohe Ladekapazität besitzt, ist ein permanenter Betrieb des DC/DC-Wandlers D nicht notwendig. Erfindungs gemäß ist hierbei vorgesehen, die Ausgangsspannung U_c für drei Betriebs zustände unterschiedlich auszuwählen. Sind keine zusätzlichen Verbraucher eingeschaltet, d. h.. I_ges < I₀, beträgt die Ausgangsspannung U_c ca. 6 V. Sind jedoch manuelle Verbraucher wie z. B. Radio eingeschaltet, d. h. I_ges < I₀ so wird bei Motorstillstand die Ausgangsspannung U_c auf 12 V eingeregelt. Bei dieser Spannung funktioniert z. B. ein Radio einwandfrei. Eine höhere Spannung würde nur zu einem höheren Stromverbrauch führen. Im normalen Betrieb des Kraftfahrzeuges wird die Ausgangsspannung U_c selbstverständlich auf 14 V angehoben.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in einfacher Weise bei einem 14 V Bordnetz bzw. bei einem 42 V Bordnetz eine Ruhestromeinsparung bei Motorstillstand. Dadurch wird die Fahrzeugbatterie B erheblich geschont.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeuges, wobei die Bordnetzspannung bei Motorstillstand zur Verringerung des Ruhestromverbrauchs der Steuergeräte abgesenkt wird, dadurch ge kennzeichnet, daß die Absenkung der Bordnetzspannung erfolgt, wenn der Gesamtstrom I_ges kleiner als ein Grenzstrom I₀ ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Span nungsversorgung des Bordnetzes über die Fahrzeugbatterie bzw. über einen DC/DC-Wandler erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einem 14 V Bordnetz eine Spannungsabsenkung auf etwa 6 V erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekenn zeichnet, daß das 14 V Bordnetz Teil eines 42 V Bordnetzes ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem 14 V Bordnetz ein Superkondensator CS parallel geschaltet ist, der einen Energiespeicher mit variabler Spannung darstellt.