WO2004006422A1 - Kraftfahrzeug-bordnetz - Google Patents

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WO2004006422A1
WO2004006422A1 PCT/DE2003/001939 DE0301939W WO2004006422A1 WO 2004006422 A1 WO2004006422 A1 WO 2004006422A1 DE 0301939 W DE0301939 W DE 0301939W WO 2004006422 A1 WO2004006422 A1 WO 2004006422A1
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WO
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generator
converter
voltage
supply system
vbn
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/001939
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Graf
Hans-Peter Johanning
Rainer Knorr
Gregor Probst
Peter Skotzek
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement with a drive and a generator mechanically connected to the drive and a method for operating this circuit arrangement.
  • a circuit arrangement disclosed in the unpublished patent application (PCT / DE01 / 00601) has an internal combustion engine and an integrated starter generator (ISG) mechanically connected to it.
  • the integrated starter generator charges a double-layer capacitor and / or an accumulator to a first voltage in generator operation.
  • the integrated starter generator is driven with the energy stored in the double-layer capacitor or in the accumulator.
  • This circuit arrangement is characterized in that the positive DC voltage connection of a bidirectional AC / DC converter is connected to the positive pole of the accumulator and in the other case to the positive connection of the double-layer capacitor via two switches, depending on the operating state.
  • the voltage across an intermediate circuit capacitor arranged between the positive and the negative DC voltage connection of the AC / DC converter can be adapted to the voltage of the energy store to be connected via a current flow into the AC / DC converter or out of the AC / DC converter. This makes it possible to reduce compensation currents to a minimum value during the switching of the switches.
  • the kinetic energy released when the vehicle is braking can be converted into electrical energy and stored in an energy store. be saved.
  • the recovery of the kinetic energy released when braking is called recuperation.
  • the recuperation power should be significantly higher than the average generator power.
  • the kinetic energy released during braking should not be removed from the vehicle's energy balance and converted into thermal energy, but should be largely converted into electrical energy and supplied to suitable electrical, capacitive storage devices. Motor operation with voltages well above the vehicle electrical system voltage should also be possible here.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of such a circuit arrangement with an integrated starter generator mechanically coupled to the internal combustion engine, which is followed by a bidirectional AC / DC converter, is shown in FIG.
  • An intermediate circuit capacitor is electrically connected to the two outputs on the DC voltage side of the AC / DC converter.
  • the negative connection of the intermediate circuit capacitor and the negative direct voltage connection of the AC / DC converter connected to it are connected to the reference potential of the circuit.
  • the first switch connects the positive connection of the AC / DC converter to the positive pole of a 36 volt accumulator, to the large loads lying parallel to it, the other connections of which are connected to the reference potential, and to a third switch.
  • the second switch connects the positive connection of the AC / DC converter with the positive connection of a double Film capacitor, the negative terminal of which is connected to the reference potential, and to a fourth switch.
  • the other two connections of the third and fourth switches are connected to each other and to a positive connection of a DC / DC converter.
  • the positive connection of the other converter side is electrically connected to an accumulator and the small loads connected in parallel to this accumulator.
  • recuperation mode the first switch is not conductive and the second switch is conductive.
  • the double-layer capacitor is charged by the electrical energy generated on the generator.
  • the first accumulator cannot absorb any energy in this switching state.
  • the large loads are supplied exclusively from the first accumulator regardless of the power requirement.
  • the small loads are supplied via the second accumulator and, when the third switch is closed, additionally from the first accumulator.
  • a disadvantage of this circuit arrangement is that the on-board electrical system and the associated large and small loads in the recuperation mode are supplied exclusively from the batteries, even when the power requirement is high. If no torque support (boost operation) of the internal combustion engine is provided during the acceleration phases of the vehicle and no consumers can be connected in parallel to the double-layer capacitor, the energy stored in the double-layer capacitor cannot be released. The double layer capacitor thus remains charged and can no longer absorb energy during the next recuperation process.
  • a method for controlling a generator in a motor vehicle is known from the published patent application DE 43 07 907 AI. This procedure describes how the voltage on the generator is adjusted depending on the respective operating state.
  • the generator voltage is increased during recuperation so that the generator can deliver more power to charge a battery through the recuperation of braking energy.
  • a consumer can also be switched on. This consumer can in turn recharge an energy store with the kinetic energy converted into electrical energy by a further energy conversion.
  • the additional consumer is only switched on here in order to increase the power consumption during recuperation.
  • the power consumption is limited by the fact that the generator voltage can only be increased up to the maximum value permitted for the consumers of the motor vehicle (e.g. from 14 V to 16 V). If the said additional consumers are switched on beforehand due to a need, recuperation is not possible. In this case, the recuperation power is lost despite a high power requirement.
  • a dual voltage supply device for a motor vehicle is known from utility model DE 201 13 916 U1.
  • the electrical generator voltage that can be derived from the generator is fed to a variable ohmic resistor via a first connection for deriving a first voltage.
  • the variable ohmic resistance is followed by a second connection for deriving a second voltage, namely the vehicle electrical system voltage, and a generator regulator.
  • the generator voltage can be supplied to a high-current energy store, preferably via a diode.
  • This high-current energy store can preferably be designed as a capacitor, in particular as a supercap capacitor.
  • the electrical energy stored in the high-current energy store can again be made available to a comfort and / or high-current converter.
  • variable ohmic resistance only serves to convert electrical energy into thermal energy.
  • the kinetic energy recovered in a recuperation process by increasing the ohmic resistance can only be converted into thermal energy here, i.e. if thermal energy cannot be dissipated, the ohmic resistance cannot be increased arbitrarily.
  • the object of the invention is to provide a circuit arrangement and a method for operating the circuit arrangement which can reliably supply electrical consumers with energy.
  • the circuit arrangement can be divided into two sub-networks: a first sub-network, the recuperation network and a second sub-network, the supply on-board network (with e.g. 12V, 24V and / or 42V).
  • a first converter e.g. an AC converter
  • a first input / output side and a second input / output side is electrically connected to the generator with the first input / output side.
  • the on-board electrical system can be electrically isolated from the first converter and thus also from the generator via a first switching unit and can also be electrically connected to the first converter and thus again to the generator via the first switching unit.
  • the voltage across the generator is then equal to the sum of the voltage dropping across the first electrical component and the voltage of the on-board electrical system (on-board electrical system voltage).
  • the recuperation network is variable in voltage, its voltage depends on the voltage of the generator and can assume values that are significantly higher than permitted for the on-board network voltage.
  • the supply system is voltage stable, ie the demand of the supply system and thus the battery current is regulated by switching on the first electrical component (voltage divider).
  • the consumers on the supply system side are also supplied with energy by the generator during the recuperation operation via the first electrical component and the first switching unit.
  • a suitable energy store e.g. accumulator or fuel cell
  • the consumers of the on-board electrical system are thus supplied with the electrical energy obtained at the generator in a voltage-stable manner, even in situations in which there is an increased voltage requirement.
  • the circuit arrangement has a second switching unit, which is connected on the one hand to the electrical component.
  • the electrical component can alternatively be connected to the supply system or to the second input / output side of the first converter via this second switching unit.
  • the voltage on the electrical component can be increased by connecting the output of the electrical component connected to the second switching unit to the second input / output side of the first converter.
  • the voltage can also be reduced by connecting the electrical component to the supply system.
  • the current flowing into the supply system can be roughly controlled.
  • the generator is only given voltage limits (e.g. minimum 17V, maximum 58V-) and a maximum current or a maximum output (e.g. 150A, 8kW). Within these limits, the voltage of the generator is determined, among other things, by regulating the drive train.
  • voltage limits e.g. minimum 17V, maximum 58V-
  • a maximum current or a maximum output e.g. 150A, 8kW.
  • the recuperation network can additionally be stabilized against ground via an energy store and / or supply consumers that are insensitive to the voltage fluctuations occurring in the recuperation network.
  • an integrated starter generator that is connected to the drive train in a rotationally fixed manner or a belt-driven starter generator can also be used.
  • a capacitor is often connected in parallel to the connections of the second input / output side of the first converter and, together with the control of the converter, enables the voltage on the second input / output side of the first converter to be regulated.
  • This so-called intermediate circuit capacitor which is used particularly in starter generators, increases the requirements for the switching unit, since without the first converter, the voltage differences between the connections of the switches would lead to high compensation currents.
  • the function of the first converter can be used here to adjust the voltage of the intermediate circuit capacitor so that the voltages on both sides of a the switches are approximately the same and so an almost load-free switching is possible.
  • the energy transfer from the generator to the on-board electrical system can take place via the electrical component connected in series and additionally via a second converter which is arranged in such a way that it can transmit energy from the recuperation network to the supply system and / or vice versa.
  • the voltage can be finely regulated via the second converter.
  • the second converter makes it possible to increase the generator current compared to the current in the on-board electrical system by transferring energy from the on-board electrical system to the recuperation network.
  • this second converter can thus be dimensioned smaller in comparison to the solution without the serial electrical component, which results in a cost and weight saving. Furthermore, the battery supplying the consumers on the supply system side is protected by stabilizing the voltage on this battery and thus extending its service life.
  • the electrical component can be both a capacitive component, such as a double-layer capacitor or an accumulator (e.g. NiMH accumulator), and an ohmic component, such as an electrical heater.
  • a capacitive component such as a double-layer capacitor or an accumulator (e.g. NiMH accumulator)
  • an ohmic component such as an electrical heater.
  • Ohmic-inductive components such as electric motors or combinations of different components can also be used as electrical components.
  • the electrical component can store the kinetic energy converted into electrical energy or into mechanical or convert the thermal energy. This energy can also be stored in a suitable energy store.
  • the generator or starter generator can be a three-phase asynchronous machine, for example.
  • the switches used in the switching units have two stable states. In both the conductive and non-conductive state, it is advantageous if the power loss at the switches is as low as possible.
  • the on-board electrical system can be designed as a single-voltage or as a multi-voltage electrical system.
  • voltage transformers can be used between the sub-networks that have different voltage levels, for example.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to the invention with a first electrical component
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention with a first and a second electrical component
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention with a first electrical component
  • Figure 4 shows a known circuit arrangement of a two-voltage motor vehicle electrical system.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to the invention with an internal combustion engine BKM as the drive and a generator G mechanically connected to the internal combustion engine BKM.
  • the generator is connected to a first voltage converter 1 on the AC voltage side.
  • This converter 1 is designed here as a bidirectional AC voltage converter (AC / DC converter).
  • An intermediate circuit capacitor C is connected in parallel on the DC voltage side. A voltage Ul drops across the intermediate circuit capacitor C.
  • the positive connection of the intermediate circuit capacitor C can be connected directly - via electrical lines - to a supply system VBN (switch S1 closed) and / or indirectly via a first one electrical component can be electrically connected to the supply system VBN (switch S2 closed).
  • the first electrical component is considered below as an energy store 4, for example as a double-layer capacitor, and the generator as a starter generator G.
  • the supply system VBN has an accumulator B2 and consumer v.
  • the battery B2 is connected in parallel to the consumers v.
  • a second voltage U2 namely the vehicle electrical system voltage, drops across the consumers v.
  • a second converter 3 which is designed as a bidirectional direct voltage converter (DC / DC converter), is arranged between the recuperation network and the supply system VBN.
  • the connection side of the second converter 3 on the recuperation network side is electrically connected on the one hand to the positive connection of the energy store 4 and on the other hand to ground.
  • the connection side on the supply system side is electrically connected on the one hand to the positive connection of the supply system VBN and on the other hand to ground.
  • the operating sequences carried out by means of this circuit in particular the determination of the working direction of the converters 1 and 2 (upward or downward conversion), the charging of the intermediate circuit capacitor C to a specific voltage value and the switching positions of the switching unit SEI are carried out by a control circuit (not shown) controlled / regulated.
  • the switches S1 and S2 of the switching unit SEI and the switch S5 are connected to the control circuit.
  • Energy can be transferred between the two networks via the second converter 3 and thus the supply system voltage can be regulated or a discharged energy store 4 can be recharged from the energy store B2.
  • the generator power is regulated depending on the operating conditions. For example, the generator power can first be reduced to zero if it exceeds a predetermined threshold value. In this way, the closed switch S1 can be opened almost without power and the direct electrical connection to the supply system VBN can be disconnected. This process occurs, for example, during a recuperation process.
  • An additional switch S5 enables the voltage of the intermediate circuit capacitor C to be adapted to the voltage of the supply system VBN with the aid of the DC / DC converter 3.
  • the switch S5 is first opened when the converters 1 and 3 are switched off. Then the DC / DC converter 3 Charge or discharge the intermediate circuit capacitor C. Switch S2 can now be opened almost without power.
  • the threshold values are predetermined by the requirements of the drive train, but also by other parameters, such as the state of charge of the power energy store or the power of the DC / DC converter 3.
  • the energy store 4 - as assumed here - is a line energy store, for example a double-layer capacitor, it should have the lowest possible charge state at the start of the recuperation process. After a maximum expected recuperation time, the energy store 4 should then be fully charged.
  • At least nine driving situations can be differentiated, which are implemented according to the requirements for the motor vehicle:
  • Switch S2 is closed and switch S1 is open.
  • the DC / DC converter 3 is to deliver its maximum power to the on-board electrical system VBN in order to protect the battery. As a result, power is transferred from the recuperation network to the VBN supply system.
  • the supply system voltage U2 is adapted to the needs of the battery (temperature compensation) via the power of the DC / DC converter 3.
  • the maximum start time is determined by the discharge time of the energy store 4.
  • Switch S2 is closed and switch S1 is open.
  • the DC / DC converter 3 is considered to be switched off.
  • the generator G supplies exactly the current required by the on-board electrical system VBN, which also charges the energy store 4.
  • the generator power is determined by the voltage of the accumulator (temperature compensation).
  • the idle charge is ended. For this state, the idle speed of the drive may have to be increased so that sufficient energy is made available even when idling.
  • Switch S2 is closed and switch S1 is open.
  • the DC / DC converter 3 transfers its maximum power from the recuperation network to the supply system VBN. This relieves the battery.
  • the integrated Starter generator G works as a motor.
  • the supply system voltage is, as far as possible, adapted to the needs of the battery (temperature compensation) via the power of the DC / DC converter 3. After the energy store 4 has been discharged, the starting driving state and thus the drive support are ended.
  • Switch S2 is open and switch S1 is closed.
  • the DC / DC converter 3, together with the generator, supplies the current required by the on-board electrical system VBN from the energy store 4.
  • the power of the DC / DC converter 3 is based on the efficiency of the drive BKM and generator G. If the efficiency is high, the power transferred from the recuperation network to the supply system VBN drops. Under certain circumstances, energy can even be transferred from the VBN supply system to the recuperation network.
  • the generator power is based on the voltage requirements of the battery B2 (temperature compensation).
  • the energy store 4 can also be discharged via a further consumer to the on-board electrical system VBN or to ground. After the (complete) discharge of the energy store 4, a switch is made to generator operation when the energy store is discharged.
  • the discharge of the energy store 4 can also be in a partial charge state be ended.
  • Switch S1 is open and switch S2 is closed.
  • the DC / DC converter 3 operates at maximum power at the beginning of the recuperation and extracts it from the on-board electrical system VBN. In this way, energy is supplied to the energy store 4.
  • the voltage of the battery B2 determines the generator power (temperature compensation). As the state of charge of the energy store 4 increases, the voltage at the generator rises, and therefore the current decreases with constant power, both in the current flowing into the recuperation network and in the current flowing into the supply system VBN.
  • the DC / DC converter power is therefore reduced by the zero point to the maximum power in the downward mode (from the recuperation network to the supply system VBN) in order to keep the current in the supply system VBN constant. Small fluctuations in the requirements of the VBN supply system can also be compensated for by the DC / DC converter 3.
  • the recuperation is ended.
  • the output power increases by increasing the output voltage. If the generator power of the generator G is not sufficient to supply the consumers v, the output power is increased in that the average voltage at the generator G is greater.
  • the output of the converter 1 is periodically alternately connected to the supply system VBN (low voltage, S1 closed, S2 open) and the recuperation network (high voltage, Sl open, S2 closed). In this operating mode, the DC / DC converter 3 transmits maximum power from the recuperation network to the supply on-board network VBN.
  • Switch S1 is open and switch S2 is closed.
  • the DC / DC converter 3 transfers its maximum power from the battery B2 to the plus voltage level of the energy store 4.
  • the generator G does not work.
  • the internal starting aid is ended.
  • FIG 2 shows a further embodiment of a circuit arrangement according to the invention. Functions identical elements as in the circuit arrangement shown in Figure 1 have the same reference numerals.
  • the positive connection of the intermediate circuit capacitor C is electrically connected to a connection of a first electrical component, here an energy store 4, via a switching unit SEI, which also comprises two switches S1 and S2.
  • the other connection of the energy store 4 is electrically connected to the positive connection of the supply system VBN.
  • first switching unit SEI Also on the first switching unit SEI is the positive terminal of the DC link capacitor C to a first terminal of a second electrical component, ⁇ here a high power loads 4 and via this with a second switching unit SE2.
  • This second switching unit SE2 which has two switches S3 and S4, connects the high-power consumer 4 ⁇ either electrically to ground or to the supply system VBN.
  • the positive connection of the energy store 4 is also electrically connected to a bidirectional DC voltage converter 3, the opposite positive connection of which, as in the first exemplary embodiment (see FIG. 1), is connected to the positive connection of the supply system VBN.
  • the two negative connections of the DC-DC converter 3 are connected to ground.
  • the DC / DC converter 3 can also be electrically connected to the high-power consumer 4 ⁇ .
  • the generator G supplies a voltage in a range from 30V to 58V.
  • the power output of the generator G depends on the energy requirement of the high-power consumer 4 'and that of the consumer v of the on-board electrical system VBN.
  • the energy requirement here is between 0 and 8000 W. In recuperation mode, the maximum power of 8000 W should be able to be delivered by generator G for a few seconds.
  • the high-performance consumer 4 ' should be specified between 30V and 48V in accordance with the 42V standard.
  • the power consumption of the high-performance consumer 4 ' e.g. an air conditioning compressor
  • the power consumption of the high-performance consumer 4 ' is between 800W and 3000W depending on the power requirement and can be regulated continuously.
  • the power requirement of the on-board electrical system VBN varies in this embodiment, depending on the load profile, between 200W and 1200W.
  • the DC / DC converter 3 here, for example, with a ' maximum power of 1200W, supplies the on-board electrical system VBN at a voltage level of 12V.
  • the energy store 4 absorbs the recuperation power in order to then feed it back to the high-power consumer 4 ′ and the consumers v of the on-board electrical system VBN.
  • the negative pole of the high-power consumer 4 is connected via the switch S4 ⁇ either to ground or via the switch S3 ⁇ to the positive connection of the supply system VBN.
  • the high-power consumer 4 With a low output voltage Ul of the generator G (due to the voltage across the energy store 4) or with a low power requirement of the supply system VBN, the high-power consumer 4 is operated between generator G and ground (switch S3 ⁇ open and switch S4 ⁇ closed) and at high Voltage and a high power requirement of the supply system VBN, the current flows through the high-power consumer 4 ⁇ into the supply system VBN (switch S3 ⁇ closed and switch S4 ⁇ open).
  • the supply system VBN In the second case (switch S3 ⁇ closed and switch S4 open), the supply system VBN must be able to absorb the current offered by consumers v. Any current differences between high-power consumer 4 ⁇ and the supply system VBN can be compensated for by the DC / DC converter 3 within certain limits. Larger current differences can only be resolved by electrically connecting the high-power consumer 4 ⁇ to ground.
  • the operating sequences carried out in particular the determination of the working direction of the converters 1 and 3 (upward or downward conversion), the charging of the intermediate circuit capacitor C. to a certain voltage value and the switching positions of the four switches Sl, S2, S3 ⁇ and S4 ⁇ again controlled / regulated by a control circuit, not shown.
  • the switches S1 and S2 of the first switching unit SEI and the switches S3 ⁇ and S4 ⁇ of the second switching unit are connected to the control circuit.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 1 was supplemented by a switch S6 between the negative connection of the electrical component, for example an energy store 4, and the consumers v of the on-board electrical system VBN.
  • the voltage at the accumulator B2 can be increased by opening the switch S6. This can prove to be advantageous in recuperation mode, especially if the voltage U1 is low and the consumers v have a low power consumption.
  • switches S1 to S6 can be used for current measurement.
  • the operating sequences of the circuit arrangement shown in the third exemplary embodiment are controlled / regulated by a control circuit, not shown, as in the other exemplary embodiments.
  • FIG. 4 shows a circuit arrangement of a known motor vehicle electrical system.
  • the operating sequences of the circuit arrangements shown in FIGS. 1-3 are controlled on the one hand on the basis of user-controlled variables, such as, for example, accelerator pedal position, preselected driving speed, selected transmission gear stage, brake and / or clutch actuation, and on the other hand on the basis of operating variables such as speed, torque and / or driving speed.
  • user-controlled variables such as, for example, accelerator pedal position, preselected driving speed, selected transmission gear stage, brake and / or clutch actuation
  • operating variables such as speed, torque and / or driving speed.
  • the switching elements of the switching units SEI and SE2 can also be controlled by external signals, for example triggered by the driver.
  • safety-critical components can be supplied directly by the generator, the recuperation network and / or the on-board electrical system. These components are connected, for example, via diodes to the positive connections of the generator, the first and the second sub-network.

Abstract

Schaltungsanordnung mit einem Antrieb (BKM) und einem Generator (G), der mechanisch mit dem Antrieb (BKM) verbunden ist und einem Versorgungsbordnetz (VBN), dem je nach Betriebszustand über eine Schalteinheit (SE1) ein zusätzliches elektrisches Bauteil (4) in Serie geschaltet werden kann. Die Spannung über dem Generator (G) ist dann gleich der Summe aus der über dem elektrischen Bauteil (4) abfallenden Spannung und der Versorgungsbordnetzspannung. Durch das Zuschalten des elektrischen Bauteils wird die Leistung des Generators (G) ohne eine Erhöhung des durch den Generator (G) fliessenden Stroms erhöht. Neben der Versorgung durch einen versorgungsbordnetzseitigen Energiespeicher werden so die versorgungsbordnetzseitigen Verbraucher somit auch während des Rekuperationsbetriebs über das elektrischen Bauteil vom Generator (G) mit Energie versorgt.

Description

KRAFTFAHRZEUG-BORDNETZ
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Antrieb und einem mechanisch mit dem Antrieb verbundenen Generator und ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungsanordnung.
Eine in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung (PCT/DE01/00601) offenbarte Schaltungsanordnung weist eine Brennkraftmaschine und einen mechanisch mit dieser verbundenen integrierten Startergenerator (ISG) auf. Der integrierte Startergenerator lädt im generatorischen Betrieb einen Doppelschichtkondensator und/oder einen Akkumulator auf eine erste Spannung auf. Im motorischen Betrieb wird der integrierte Startergenerator mit der im Doppelschichtkondensator oder im Akkumulator gespeicherten Energie angetrieben.
Diese Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der positive Gleichspannungsanschluss eines bidirektionalen AC/DC-Wandlers je nach Betriebszustand über zwei Schalter im einen Fall mit dem Pluspol des Akkumulators und im anderen Fall mit dem positiven Anschluss des Doppelschichtkondensators verbunden ist. Die Spannung über einem zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss des AC/DC- Wandlers angeordneter Zwischenkreiskondensator kann über einen Stromfluss in den AC/DC-Wandler oder aus dem AC/DC- Wandler heraus an die Spannung des zu verbindenden Energiespeichers angepasst werden. Dies erlaubt es, Ausgleichsströme während des leitend Schaltens der Schalter auf einen Minimalwert zu reduzieren.
Bei einer solchen Schaltungsanordnung kann die beim Bremsen des Fahrzeugs freiwerdende Bewegungsenergie in elektrische E- nergie umgewandelt und in einem Energiespeicher zwischenge- speichert werden. Die Rückgewinnung der beim Bremsen freiwerdenden kinetischen Energie wird als Rekuperation bezeichnet. Dabei soll die Rekuperationsleistung wesentlich höher sein, als die durchschnittliche generatorische Leistung.
Die beim Bremsen freiwerdende kinetische Energie soll dabei nicht der Energiebilanz des Fahrzeuges entzogen und in Wärmeenergie umgewandelt werden, sondern größtenteils in elektrische Energie umgewandelt werden und geeigneten elektrischen, kapazitiven Speichern zugeführt werden. Weiter soll hier ein motorischer Betrieb mit Spannungen deutlich über der Bordnetzspannung möglich sein.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Schaltungsanordnung mit einem mit der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelten integrierten Startergenerator, dem ein bidirektionaler AC/DC- Wandler folgt, ist in Figur 4 dargestellt. Mit den beiden Ausgängen der Gleichspannungsseite des AC/DC-Wandler ist ein Zwischenkreiskondensator elektrisch verbunden. Der negative Anschluss des Zwischenkreiskondensators und der mit ihm verbundene, negative Gleichspannungsanschluss des AC/DC-Wandlers sind mit dem Bezugspotential der Schaltung verbunden.
Der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators und der mit ihm verbundene positive Gleichspannungsanschluss des AC/DC-Wandlers führen zu zwei parallel angeordneten Schaltern.
Der erste Schalter verbindet den positiven Anschluss des AC/DC-Wandlers mit dem positiven Pol eines 36-Volt- Akkumulators, mit den parallel zu diesem liegenden großen Lasten, deren andere Anschlüsse mit dem Bezugspotential verbunden sind, und mit einem dritten Schalter.
Der zweite Schalter verbindet den positiven Anschluss des AC/DC-Wandlers mit dem positiven Anschluss eines Doppel- Schichtkondensators, dessen negativer Anschluss mit dem Bezugspotential verbunden ist, und mit einem vierten Schalter.
Die beiden anderen Anschlüsse des dritten und vierten Schalters sind miteinander und mit einem positiven Anschluss eines DC/DC-Wandlers verbunden. Der positive Anschluss der anderen Wandlerseite ist mit einem Akkumulator und den diesem Akkumulator parallel geschalteten kleinen Lasten elektrisch verbunden.
Im Rekuperationsbetrieb ist der erste Schalter nicht leitend und der zweite Schalter leitend geschaltet. Der Doppelschichtkondensator wird von der am Generator erzeugten elektrischen Energie geladen. Der erste Akkumulator kann in diesem Schaltzustand keine Energie aufnehmen. Die Versorgung der großen Lasten erfolgt in diesem Betriebszustand unabhängig vom Leistungsbedarf ausschließlich aus dem ersten Akkumulator. Die kleinen Lasten werden über den zweiten Akkumulator und, wenn der dritte Schalter geschlossen ist, zusätzlich aus dem ersten Akkumulator versorgt.
Die mittels dieser Schaltung durchgeführten Betriebsabläufe werden von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt. Ebenso werden die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler (Aufwärts- oder Abwärtswandlung) , die Aufladung des Zwischenkreiskondensators auf einen bestimmten Spannungswert und die Schaltstellungen der vier Schalter von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt .
Ein Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist es, dass das Bordnetz und die damit verbundenen großen und kleinen Lasten im Rekuperationsbetrieb auch bei einem großen Leistungsbedarf ausschließlich aus den Akkumulatoren versorgt werden. Falls keine Drehmomentunterstützung (Boost-Betrieb) der Brennkraftmaschine während der Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs vorgesehen ist und auch keine Verbraucher parallel zum Doppelschichtkondensator geschaltet werden können, so kann die im Doppelschichtkondensator gespeicherte Energie nicht abgegeben werden. Somit bleibt der Doppelschichtkonden- sator geladen und kann bei dem nächsten Rekuperationsvorgang keine Energie mehr aufnehmen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 43 07 907 AI ist ein Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug bekannt. Dieses Verfahren beschreibt, wie die Spannung am Generator in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand angepasst wird. Damit der Generator zum Aufladen einer Batterie durch die Rekuperation von Bremsenergie mehr Leistung abgeben kann, wird bei der Rekuperation die Generatorspannung erhöht. Um die Leistungsaufnahme durch den Generator weiter zu erhöhen, kann zusätzlich ein Verbraucher zugeschaltet werden. Dieser Verbraucher kann seinerseits mit der in elektrische Energie umgewandelten kinetischen Energie durch eine weitere Energieumwandlung wieder einen Energiespeicher aufladen.
Der zusätzliche Verbraucher wird hier nur zugeschaltet, um bei der Rekuperation die Leistungsaufnahme zu erhöhen. Die Leistungsaufnahme ist jedoch dadurch beschränkt, dass die Generatorspannung nur bis zu dem für die Verbraucher des Kraftfahrzeugs zulässigen Höchstwert (z.B. von 14 V auf 16 V) erhöht werden kann. Wenn die besagten Zusatzverbraucher bereits vorher aufgrund eines Bedarfes eingeschaltet sind, ist eine Rekuperation nicht möglich. Die Rekuperationsleistung geht in diesem Fall trotz eines hohen Leistungsbedarfs verloren.
Das bekannte Verfahren erhöht zwar den Ladezustand der Batterie und damit auch die Startleistung, die im Rekuperationsbetrieb abgegebene Energie steht jedoch nur bedingt für eine elektromotorische Unterstützung des Verbrennungsmotors zur Verfügung. Eine Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug ist aus der Gebrauchsmusterschrift DE 201 13 916 Ul bekannt. Die vom Generator ableitbare elektrische Generatorspannung wird hierbei über einen ersten Anschluss zum Ableiten einer ersten Spannung einem veränderbaren ohmschen Widerstand zugeführt. Dem veränderbaren ohmschen Widerstand ist ein zweiter Anschluss zum Ableiten einer zweiten Spannung, und zwar der Bordnetzspannung, sowie ein Generatorregler nachgeschaltet. Zusätzlich kann die Generatorspannung einem Hochstromenergiespeicher vorzugsweise über eine Diode zugeführt werden. Dieser Hochstromenergiespeicher kann vorzugsweise als Kondensator, insbesondere als Supercap-Kondensator ausgeführt sein.
Die im Hochstromenergiespeicher gespeicherte elektrische E- nergie kann wieder einem Komfort- und/oder Hochstromwandler zur Verfügung gestellt werden.
Der veränderbare ohmsche Widerstand dient hier nur zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie.
Die bei einem Rekuperationsvorgang durch eine Vergrößerung des ohmschen Widerstands zurückgewonnenen kinetische Energie kann hier nur in thermische Energie umgewandelt werden, d.h. wenn keine thermische Energie abgeführt werden kann, kann der ohmsche Widerstand nicht beliebig vergrößert werden.
Wird bei einer solchen bekannten Zweispannungsversorgungseinrichtung anstelle des ohmschen Widerstands ein Verbraucher verwendet, der eine Mindestspannung benötigt, so muss auch der Leistungsenergiespeicher eine Mindestspannung aufweisen. Der zum Speichern der Rekuperationsenergie zur Verfügung stehende Energieinhalt des Leistungsenergiespeichers wird dadurch erheblich reduziert. Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung zu schaffen, die elektrische Verbraucher sicher mit Energie versorgen können.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2 und durch ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Die Schaltungsanordnung lässt sich in zwei Teilnetze untergliedern: ein erstes Teilnetz, das Rekuperationsnetz und ein zweites Teilnetz, das Versorgungsbordnetz (mit z.B. 12V, 24V und/oder 42V) .
Ein erster Wandler (z.B. ein Wechselspannungswandler) mit einer ersten Ein-/Ausgangsseite und einer zweiten Ein- /Ausgangsseite ist mit der ersten Ein-/Ausgangsseite mit dem Generator elektrisch verbunden.
Das Versorgungsbordnetz kann je nach Betriebszustand über eine erste Schalteinheit vom ersten Wandler und so auch vom Generator elektrisch getrennt werden und über ein erstes elektrisches Bauteil ebenfalls über die erste Schalteinheit wieder elektrisch mit dem ersten Wandler und somit wieder mit dem Generator verbunden werden. Die Spannung über dem Generator ist dann gleich der Summe aus der über dem ersten elektrischen Bauteil abfallenden Spannung und der Spannung des Versorgungsbordnetzes (Bordnetzspannung) . Durch das Zuschalten des ersten elektrischen Bauteils wird so ohne eine Erhöhung des durch den Generator fließenden Stromes die Generatorleistung erhöht .
Das Rekuperationsnetz ist auf diese Weise spannungsvariabel, seine Spannung ist von der Spannung des Generators abhängig und kann deutlich höhere Werte als für die Bordnetzspannung zulässig annehmen. Im Gegensatz dazu ist das Versorgungsbordnetz spannungsstabil, d.h. der Bedarf des Versorgungsbordnetzes und damit der Batteriestrom wird durch das Zuschalten des ersten elektrischen Bauteils geregelt (Spannungsteiler) .
Neben der Versorgung durch einen geeigneten Energiespeicher (z.B. Akkumulator oder Brennstoffzelle) werden die versor- gungsbordnetzseitigen Verbraucher somit auch während des Re- kuperationsbetriebs über das erste elektrische Bauteil und die erste Schalteinheit vom Generator mit Energie versorgt.
Die Verbraucher des Versorgungsbordnetzes werden so - auch in Situationen in denen ein erhöhter Spannungsbedarf besteht - spannungsstabil mit der am Generator gewonnenen elektrischen Energie versorgt.
In einer zweiten Ausführung der Schaltungsanordnung weist die Schaltungsanordnung eine zweite Schalteinheit auf, die zum einen mit dem elektrischen Bauteil verbunden ist. Zum anderen kann über diese zweite Schalteinheit das elektrische Bauteil alternativ mit dem Versorgungsbordnetz oder mit der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers verbunden werden.
Bei kleinen Generatorspannungen kann so, durch ein Verbinden des mit der zweiten Schalteinheit verbundenen Ausgangs des elektrischen Bauteils mit der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers, die Spannung an dem elektrischen Bauteil erhöht werden. Andererseits kann auch die Spannung durch ein Verbinden des elektrischen Bauteils mit dem Versorgungsbordnetz erniedrigt werden. Gleichzeitig kann hierdurch der in das Versorgungsbordnetz fließende Strom grob gesteuert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Dem Generator werden während der Rekuperation lediglich Spannungsgrenzen (z.B. minimal 17V, maximal 58V-) und ein Maximalstrom oder eine Maximalleistung vorgegeben (z.B. 150A, 8kW) . Innerhalb dieser Grenzen wird die Spannung des Generators unter anderem durch die Regelung des Antriebstrangs bestimmt.
Das Rekuperationsnetz kann zusätzlich über einen Energiespeicher gegenüber Masse stabilisiert werden und/oder Verbraucher versorgen, die unsensibel gegenüber den im Rekuperationsnetz auftretenden SpannungsSchwankungen sind.
Anstelle eines Generators kann auch ein integrierter, drehfest mit dem Antriebsstrang verbundener oder ein riemengetriebener Startergenerator Anwendung finden.
Dies bietet den Vorteil, dass die in einem Leistungsenergiespeicher und dem Energiespeicher des Versorgungsbordnetzes gespeicherte Energie wieder dem Startergenerator zugeführt und so die Brennkraftmaschine durch den als Elektromotor wirkenden Startergenerator unterstützt werden kann.
Den Anschlüssen der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers ist häufig ein Kondensator parallelgeschaltet, der zusammen mit der Steuerung des Wandlers eine Regelung der Spannung auf der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers ermöglicht.
Dieser besonders bei Startergeneratoren eingesetzte sog. Zwi- schenkreiskondensator erhöht an sich die Anforderungen an die Schalteinheit, da ohne den ersten Wandler die Spannungsdifferenzen zwischen den Anschlüssen der Schalter zu hohen Ausgleichsströmen führen würden.
Die Funktion des ersten Wandlers kann hier dazu benutzt werden, die Spannung des Zwischenkreiskondensators so anzupassen, dass die Spannungen auf beiden Seiten eines zu schalten- den Schalters ungefähr gleich sind und so ein nahezu lastfreies Schalten möglich ist.
Die Energieübertragung vom Generator zum Versorgungsbordnetz kann über das in Serie geschaltete elektrische Bauteil und zusätzlich über einen zweiten Wandler erfolgen, der so angeordnet ist, dass er Energie vom Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz und/oder umgekehrt übertragen kann. Neben der groben Spannungsregelung durch das Zuschalten des ersten elektrischen Bauteils kann die Feinregelung der Spannung über den zweiten Wandler erfolgen.
Weiter ermöglicht der zweiten Wandler eine eventuell erforderliche Erhöhung des Generatorstroms gegenüber dem Strom im Versorgungsbordnetz durch eine Energieübertragung aus dem Versorgungsbordnetz in das Rekuperationsnetz.
Da nicht die gesamte vom Generator in das Versorgungsbordnetz übertragene Energie über den zweiten Wandler übertragen wird, kann dieser zweite Wandler somit im Vergleich zur Lösung ohne das serielle elektrische Bauteil kleiner dimensioniert werden, was eine Kosten- und Gewichtseinsparung mit sich bringt. Weiter wird der die versorgungsbordnetzseitigen Verbraucher versorgende Akkumulator dadurch geschont, dass die Spannung an diesem Akkumulator stabilisiert und somit dessen Lebensdauer verlängert wird.
Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich sowohl um ein kapazitives Bauteil, wie beispielsweise einen Doppelschichtkondensator oder einen Akkumulator (z.B. NiMH-Akkumulator) , als auch um einen ohmsches Bauteil, wie beispielsweise eine e- lektrische Heizung handeln. Auch ohmsch-induktive Bauteile wie Elektromotoren oder aber auch Kombinationen verschiedener Bauteile können als elektrisches Bauteil zum Einsatz kommen.
Das elektrische Bauteil kann die in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie speichern oder in mechanische o- der thermische Energie umwandeln. Es ist auch ein Speichern dieser Energie in einem geeigneten Energiespeicher möglich.
Der Generator oder Startergenerator kann beispielsweise eine Drehstromasynchronmaschine sein.
Die in den Schalteinheiten benutzten Schalter weisen zwei stabile Zustände auf. Sowohl im leitenden als auch im nichtleitenden Zustand ist es von Vorteil, wenn die Verlustleistung an den Schaltern möglichst gering ist.
Das Versorgungsbordnetz kann als Einspannungs- aber auch als Mehrspannungsbordnetz ausgelegt sein. Bei einem Mehrspan- nungsbordnetz können zwischen den Teilnetzen, die unterschiedliche Spannungsebenen aufweisen, beispielweise Spannungswandler eingesetzt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem ersten elektrischen Bauteil,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Bauteil,
Figur 3 eine weiteres Ausführungsbeispiel einererfindungsge- mäßen Schaltungsanordnung mit einem ersten elektrischen Bauteil, und
Figur 4 eine bekannte Schaltungsanordnung eines Zwei- Spannungs-Kraftfahrzeugbordnetzes .
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Brennkraftmaschine BKM als Antrieb und einem mechanisch mit der Brennkraftmaschine BKM verbundenen Generator G. Statt oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine sind auch andere Antriebe, beispielsweise eine angetriebene Achse, möglich. Der Generator ist wechselspannungsseitig mit einem ersten Spannungswandler 1 verbunden. Dieser Wandler 1 ist hier als bidirektionaler Wechselspannungswandler (AC/DC-Wandler) ausgeführt. Diesem ist auf der Gleichspannungsseite ein Zwi- schenkreiskondensator C parallelgeschaltet. Über dem Zwi- schenkreiskondensator C fällt eine Spannung Ul ab.
Über eine aus zwei parallel zueinander angeordneten Schaltern Sl und S2 bestehende erste Schalteinheit SEI kann der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators C zum einen unmittelbar - über elektrische Leitungen - mit einem Versorgungsbordnetz VBN verbunden werden (Schalter Sl geschlossen) und/oder zum anderen mittelbar über ein erstes elektrisches Bauteil mit dem Versorgungsbordnetz VBN elektrisch verbunden (Schalter S2 geschlossen) werden.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erste elektrische Bauteil im Folgenden als Energiespeicher 4, beispielsweise als ein Doppelschichtkondensator und der Generator als ein Startergenerator G betrachtet.
Das Versorgungsbordnetz VBN weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Akkumulator B2 und Verbraucher v auf. Der Akkumulator B2 ist den Verbrauchern v parallel geschaltet. Über den Verbrauchern v fällt eine zweite Spannung U2, und zwar die Bordnetzspannung, ab.
Ein zweiter Wandler 3, der als bidirektionaler Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist, ist zwischen dem Rekuperationsnetz und dem Versorgungsbordnetz VBN angeordnet. Die rekuperationsnetzseitige Anschlussseite des zweiten Wandlers 3 ist zum einen mit dem positiven Anschluss des E- nergiespeichers 4 und zum anderen mit Masse elektrisch verbunden. Die versorgungsbordnetzseitige Anschlussseite ist zum einen mit dem positiven Anschluss des Versorgungsbordnetzes VBN und zum anderen ebenfalls mit Masse elektrisch verbunden. Die mittels dieser Schaltung durchgeführten Betriebsabläufe, insbesondere die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler 1 und 2 (Aufwärts- oder Abwärtswandlung) , die Aufladung des Zwischenkreiskondensators C auf einen bestimmten Spannungswert und die Schaltstellungen der Schalteinheit SEI werden von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt. Hierzu sind die Schalter Sl und S2 der Schalteinheit SEI und er Schalter S5 mit der Regelschaltung verbunden.
Über den zweiten Wandler 3 kann Energie zwischen den beiden Netzen transferiert werden und so die Versorgungsbordnetzspannung geregelt werden oder ein entladener Energiespeicher 4 aus dem Energiespeicher B2 nachgeladen werden.
In Abhängigkeit von Betriebszuständen wird die Generatorleistung geregelt. Beispielsweise kann die Generatorleistung, wenn sie einen vorab bestimmten Schwellenwert überschreitet, zunächst auf Null reduziert werden. Auf diese Weise kann der geschlossene Schalter Sl nahezu leistungsfrei geöffnet und die direkte elektrische Verbindung zum Versorgungsbordnetz VBN getrennt werden. Dieser Vorgang tritt beispielsweise bei einem Rekuperationsvorgang auf.
Anschließend wird der Zwischenkreiskondensator C durch den AC/DC-Wandler 1 auf die über dem Energiespeicher 4 abfallende Spannung aufgeladen. Ebenfalls nahezu leistungsfrei wird nun der Schalter S2 geschlossen. Das Versorgungsbordnetz VBN ist nun über den Energeispeicher 4 und die Schalteinheit SE mit dem Generator G verbunden.
Ein zusätzlicher Schalter S5 ermöglicht eine Anpassung der Spannung des Zwischenkreiskondensators C an die Spannung des Versorgungsbordnetzes VBN mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 3. Hierzu wird bei abgeschalteten Wandlern 1 und 3 zunächst der Schalter S5 geöffnet. Anschließend kann der DC/DC-Wandler 3 den Zwischenkreiskondensator C aufladen oder entladen. Der Schalter S2 kann nun nahezu leistungsfrei geöffnet werden.
Falls nötig kann Energie über den DC/DC-Wandler 3 in das Versorgungsbordnetz VBN übertragen werden.
Sinkt die Generatorleistung unter einen weiteren vorab bestimmten Schwellenwert, so wird nach Aufladen des Zwischenkreiskondensators der Schalter S2 wieder geöffnet und der Schalter Sl wieder geschlossen.
Die Schwellenwerte werden in der Praxis durch die Anforderungen des Antriebsstranges, aber auch durch andere Parameter, wie beispielsweise den Ladezustand des Leistungsenergiespeichers oder die Leistung des DC/DC-Wandlers 3, vorgegeben.
Handelt es sich bei dem Energeispeicher 4 - wie hier angenommen - um einen Leitungsenergiespeicher, beispielsweise einen Doppelschichtkondensator, so sollte dieser zu Beginn des Re- kuperationsvorgangs einen möglichst niedrigen Ladungszustand aufweisen. Nach einer maximal zu erwartenden Rekuperations- zeit sollte der Energiespeicher 4 dann aber voll geladen sein.
Es können zumindest neun Fahrsituationen unterschieden werden, die entsprechend der Anforderungen an das Kraftfahrzeug implementiert werden:
Motor aus:
Es ist keine Generatorleistung möglich, lediglich der E- nergiespeicher versorgt das Versorgungsbordnetz VBN. Im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dieser Fahrsituation der Schalter Sl offen und der Schalter S2 geschlossen. Der DC/DC-Wandler 3 wird als abgeschaltet betrachtet. Der Zwischenkreiskondensator kann wegen der fehlenden Motordrehung in seiner Spannung nicht angepasst werden. Der Zwischenkreiskondensator muss also die Span- nung des Speichers aufweisen, der den Generator für den Startvorgang mit Energie versorgt. Diese -Fahrsituation tritt auch ein, wenn der Motor beispielsweise an einer Ampel kurzzeitig abgeschaltet wird (Start-Stop-Betrieb) .
Start (Entladung der Speicher in den Startergenerator) : Der Schalter S2 ist geschlossen und der Schalter Sl offen. Der DC/DC-Wandler 3 soll in der folgenden Betrachtung seine maximale Leistung in das Versorgungsbordnetz VBN abgeben, um den Akkumulator zu schonen. Hierdurch wird Leistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN übertragen. Die Versorgungsbordnetzspannung U2 wird an die Bedürfnisse des Akkumulators (Temperaturkompensation) über die Leistung des DC/DC-Wandlers 3 angepasst. Die maximale Startdauer wird durch die Entladedauer des Energiespeichers 4 bestimmt.
Leerlaufladung (Ladung des Energiespeichers 4 hat Priorität) :
Der Schalter S2 ist geschlossen und der Schalter Sl offen. Der DC/DC-Wandler 3 wird als abgeschaltet betrachtet. Der Generator G liefert genau den vom Versorgungsbordnetz VBN benötigten Strom, der zusätzlich auch den Energiespeicher 4 lädt. Die Generatorleistung wird durch die Spannung des Akkumulators bestimmt (Temperaturkompensation) . Bei Erreichen der Maximalspannung des Energiespeicher 4 wird die Leerlaufladung beendet. Eventuell muss für diesen Zustand die Leerlaufdrehzahl des Antriebs angehoben werden, damit auch im Leerlauf genügend Energie zur Verfügung gestellt wird.
Anfahren (Unterstützung des Verbrennungsmotors bei sehr kleinen Drehzahlen) :
Schalter S2 ist geschlossen und Schalter Sl offen. Der DC/DC-Wandler 3 überträgt seine Maximalleistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN. Hierdurch wird der Akkumulator entlastet. Der integrierte Startergenerator G arbeitet als Motor. Die Versorgungsbordnetzspannung wird, soweit möglich, an die Bedürfnisse des Akkumulators (Temperaturkompensation) über die Leistung des DC/DC-Wandlers 3 angepasst. Nach Entladung des E- nergiespeichers 4 wird der Fahrzustand Anfahren und somit auch die Unterstützung des Antriebs beendet.
Generatorbetrieb bei entladenem Energiespeicher 4 Dieser Zustand wird nur erreicht, wenn der Energiespeicher 4 komplett entladen ist und dann eine Potenzialdifferenz von 0V zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufweist. Nur der Schalter Sl oder die Schalter Sl und S2 sind geschlossen. Der DC/DC-Wandler 3 ist abgeschaltet. Der Generator G liefert genau die vom Versorgungsbordnetz VBN benötigte Leistung und regelt auf die vom Energiespeicher B2 geforderte Spannung (Temperaturkompensation) . Es kann sinnvoll sein, diesen Zustand ganz entfallen zu lassen, und den Energiespeicher 4 nie komplett zu entladen.
Generatorbetrieb mit geladenem Energiespeicher 4 Schalter S2 ist offen und Schalter Sl ist geschlossen. Aus dem Energiespeicher 4 liefert der DC/DC-Wandler 3 zusammen mit dem Generator den vom Versorgungsbordnetz VBN benötigten Strom. Die Leistung des DC/DC-Wandlers 3 orientiert sich am Wirkungsgrad von Antrieb BKM und Generator G. Wenn der Wirkungsgrad hoch ist, sinkt die übertragene Leistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN. Unter Umständen kann sogar Energie aus dem Versorgungsbordnetz VBN in das Rekuperationsnetz übertragen werden. Die Generatorleistung orientiert sich an den Spannungsanforderungen des Akkumulators B2 (Temperaturkompensation) . Alternativ kann der Energiespeicher 4 auch über einen weiteren Verbraucher zum Versorgungsbordnetz VBN hin oder zu Masse entladen werden. Nach (kompletter) Entladung des E- nergiespeichers 4 wird in den Generatorbetrieb bei entladenem Energiespeicher umgeschaltet. Die Entladung des E- nergiespeicher 4 kann aber auch in einem Teilladezustand beendet werden.
Rekuperation (Erhöhte Leistung des Generators) Der Schalter Sl ist offen und der Schalter S2 ist geschlossen. Ausgehend von einem (nahezu) entladenen Energiespeicher 4 arbeitet der DC/DC-Wandler 3 zu Beginn der Rekuperation mit maximaler Leistung und entzieht diese dem Versorgungsbordnetz VBN. Auf diese Weise wird dem Energiespeicher 4 Energie zugeführt. Die Spannung des Akkumulators B2 bestimmt die Generatorleistung (Temperaturkompensation) . Mit zunehmendem Ladezustand des Energiespeicher 4 steigt die Spannung am Generator und daher sinkt bei konstanter Leistung der Strom, sowohl in der in das Rekuperationsnetz fließende, als auch der in das Versorgungsbordnetz VBN fließende Strom. Um diesen Effekt zu kompensieren reduziert sich daher die DC/DC-Wandlerleistung durch den Nullpunkt bis zur maximalen Leistung im Abwartsbetrieb (vom Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN) , um den Strom in das Versorgungsbordnetz VBN konstant zu halten. Kleine Schwankungen im Bedarf des Versorgungsbordnetzes VBN können ebenfalls durch den DC/DC-Wandler 3 ausgeglichen werden. Bei Erreichen der Maximalspannung des E- nergiespeichers 4 wir die Rekuperation beendet.
Leistungssteigerung (Steigerung der Ausgangsleistung bei Generatoren, deren Leistung durch Spannungserhohung am Ausgang ansteigt)
In bestimmten Drehzahlbereichen des Generators (insbesondere bei hohen Drehzahlen) steigt die Ausgangsleistung durch Anhebung der Ausgangsspannung. Reicht die generatorische Leistung des Generators G nicht zur Versorgung der Verbraucher v aus, so wird die Abgabeleistung dadurch erhöht, dass die mittlere Spannung am Generator G großer ist. Hierzu wird der Ausgang des Wandlers 1 periodisch abwechselnd mit dem Versorgungsbordnetz VBN (niedrige Spannung, Sl geschlossen, S2 offen) und dem Rekuperationsnetz (hohe Spannung, Sl offen, S2 geschlossen) verbunden. Der DC/DC-Wandler 3 überträgt in dieser Betriebsart maximale Leistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN.
- Interne Starthilfe (Ladung des Energiespeichers 4 aus dem Energiespeicher B2 des Versorgungsbordnetzes VBN bevor der Motor gestartet wird) :
Der Schalter Sl ist offen und der Schalter S2 ist geschlossen. Der DC/DC-Wandler 3 transferiert seine maximale Leistung aus dem Akkumulator B2 auf das Plus- Spannungsniveau des Energiespeicher 4. Der Generator G arbeitet nicht. Bei Erreichen der minimalen Startspannung ü- ber dem Energiespeicher 4 wir die interne Starthilfe beendet.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Funktionen identische Elemente, wie bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung, tragen dieselben Bezugszeichen.
Über eine ebenfalls zwei Schalter Sl und S2 umfassende Schalteinheit SEI ist hier der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators C mit einem Anschluss eines ersten e- lektrischen Bauteils, hier eines Energiespeichers 4 elektrisch verbunden. Der andere Anschluss des Energiespeichers 4 ist mit dem positiven Anschluss des Versorgungsbordnetzes VBN elektrisch verbunden.
Ebenfalls über die erste Schalteinheit SEI ist der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators C mit einem ersten Anschluss eines zweiten elektrischen Bauteils, hier einem Hochleistungsverbraucher 4 λ und über diesen mit einer zweiten Schalteinheit SE2 verbunden. Diese zweite Schalteinheit SE2, die zwei Schalter S3 und S4 aufweist, verbindet den Hochleistungsverbraucher 4 Λ wahlweise elektrisch mit Masse o- der dem Versorgungsbordnetz VBN. Der positive Anschluss des Energiespeicher 4 ist auch hier mit einem bidirektionalen Gleichspannungswandler 3 elektrisch verbunden, dessen gegenüberliegender positiver Anschluss wie im ersten Ausführungsbeispiel (s. Fig. 1) mit dem positiven Anschluss des Versorgungsbordnetzes VBN verbunden ist. Die beiden negativen Anschlüsse des Gleichspannungswandlers 3 sind mit Masse verbunden.
Alternativ kann der Gleichspannungswandler 3 auch mit dem Hochleistungsverbraucher 4λ elektrisch verbunden sein.
Der Generator G liefert hier eine Spannung in einem Bereich von 30V bis 58V. Die Leistungsabgabe des Generators G hängt vom Energiebedarf des Hochleistungsverbrauchers 4' und dem der Verbraucher v des Versorgungsbordnetzes VBN ab. Diser Energiebedarf liegt hier zwischen 0 und 8000 W. Im Rekuperationsbetrieb soll möglichst die Maximalleistung von 8000W für einige Sekunden vom Generator G abgegeben werden können.
Der Hochleistungsverbraucher 4' soll entsprechend der 42V- Norm zwischen 30V und 48V spezifiziert sein. Die Leistungsaufnahme des Hochleistungsverbraucher 4' (z.B. eines Klimakompressors) liegt je nach Leistungsbedarf zwischen 800W und 3000W und kann stufenlos geregelt werden.
Über den Schalter S2 der Schalteinheit SEI kann der Hochleistungsverbraucher 4' auch komplett abgeschaltet werden.
Der Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes VBN schwankt in diesem Ausführungsbeispiel je nach Lastprofil zwischen 200W und 1200W. Der Gleichspannungswandler 3 hier beispielsweise mit einer ' Maximalleistung von 1200W versorgt das Versorgungsbordnetz VBN auf einem Spannungsniveau von 12V. Der Energiespeicher 4 nimmt die Rekuperationsleistung auf, um sie anschließend wieder dem Hochleistungsverbraucher 4' und den Verbrauchern v des Versorgungsbordnetzes VBN zuzuführen.
Je größer der Spannungsbereich ist, in dem der Energiespeichers 4 arbeitet, desto größer ist der Anteil seines Energieinhalts, der genutzt werden kann.
Folglich wird, um den Energiespeichers 4 und/oder den Generator G kleiner dimensionieren zu können, der Minuspol des Hochleistungsverbrauchers 4 über die Schalter S4 λ entweder mit Masse oder über den Schalter S3 λ mit dem positiven Anschluss des Versorgungsbordnetzes VBN verbunden.
Bei einer niedrigen Ausgangsspannung Ul des Generators G (bedingt durch die Spannung über dem Energiespeicher 4) oder bei einem geringem Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes VBN wird der Hochleistungsverbrauchers 4 zwischen Generator G und Masse betrieben (Schalter S3 Λ offen und Schalter S4 λ geschlossen) und bei hoher Spannung und einem hohen Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes VBN fließt der Strom durch den Hochleistungsverbrauchers 4 λ in das Versorgungsbordnetz VBN (Schalter S3 Λ geschlossen und Schalter S4 λ offen).
Das Versorgungsbordnetz VBN muss in dem zweiten Fall (Schalter S3 λ geschlossen und Schalter S4 offen) den angebotenen Strom durch Verbraucher v aufnehmen können. Etwaige Stromunterschiede zwischen Hochleistungsverbrauchers 4 Λ und dem Versorgungsbordnetz VBN können vom Gleichspannungswandler 3 in gewissen Grenzen ausgeglichen werden. Größere Stromunterschiede können nur durch ein elektrisches Verbinden des Hochleistungsverbrauchers 4Λ mit Masse gelöst werden.
Auch bei der in Figur 2 dargestellten Schaltung werden die durchgeführten Betriebsabläufe, insbesondere die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler 1 und 3 (Aufwärts- oder Abwärtswandlung) , die Aufladung des Zwischenkreiskondensators C auf einen bestimmten Spannungswert und die Schaltstellungen der vier Schalter Sl, S2, S3 λ und S4 λ wieder von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt. Hierzu sind die Schalter Sl und S2 der ersten Schalteinheit SEI und die Schalter S3 λ und S4 Λ der zweiten Schalteinheit mit der Regelschaltung verbunden.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Hierbei wurde die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung um einen Schalter S6 zwischen dem negativen Anschluss des elektrischen Bauteils, beispielsweise einem Energiespeicher 4, und den Verbrauchern v des Versorgungsbordnetzes VBN ergänzt.
Funktionen identische Elemente, wie bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen, tragen dieselben Bezugszeichen.
Ein weiteren Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung stellt die Anordnung des Akkumulators B2 dar, der hier zwischen dem negativen Anschluss des Energiespeichers 4 und Masse angeordnet ist.
Durch diese Modifikation der Schaltungsanordnung aus Figur 1 kann durch Offnen des Schalters S6 die Spannung am Akkumulator B2 erhöht werden. Dies kann sich im Rekuperationsbetrieb als vorteilhaft erweisen, besonders wenn die Spannung Ul klein ist und die Verbraucher v eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen.
Darüber hinaus können die Innenwiderstände der Schalter Sl bis S6 zur Strommessung verwendet werden. Die durchgeführten Betriebsabläufe der im dritten Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltungsanordnung werden wie bei den anderen Ausführungsbeispielen von einer nicht dargestellten Steuer-/Regelschaltung gesteuert/geregelt.
Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung eines bekannten Kraftfahrzeugbordnetzes .
Funktionen identische Elemente, wie bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen, tragen dieselben Bezugszeichen.
Die Steuerung der Betriebsabläufe der in den Figuren 1-3 dargestellten Schaltungsanordnungen erfolgt einerseits aufgrund von benutzergesteuerten Größen, wie beispielsweise Fahrpedalstellung, vorgewählter Fahrgeschwindigkeit, gewählte Getriebe-Gangstufe, Brems- und/oder Kupplungsbetätigung und andererseits aufgrund von Betriebsgrößen wie beispielsweise Drehzahl, Drehmoment und/oder Fahrgeschwindigkeit.
Alternativ können die Schaltelemente der Schalteinheiten SEI und SE2 auch durch externe, beispielsweise vom Fahrer ausgelöste, Signale gesteuert werden.
Sicherheitskritische Komponenten können, um eine möglichst zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen, direkt durch den Generator, das Rekuperationsnetz und/oder das Versorgungsbordnetz versorgt werden. Dabei sind diese Komponeneten beispielsweise über Dioden mit den positiven Anschlüssen des Generators, des ersten und des zweiten Teilnetzes verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung mit einem Antrieb (BKM) und einem Generator (G) , der mechanisch mit dem Antrieb (BKM) verbunden ist, die aufweist
- ein Versorgungsbordnetz (VBN) , mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (B2) und zumindest einem Verbraucher (v),
- einen ersten Wandler (1) mit einer ersten Ein-
/Ausgangsseite und einer zweiten Ein-/Ausgangsseite, bei dem die erste Ein-/Ausgangseite mit dem Generator (G) elektrisch verbunden ist,
- ein erstes, dem Versorgungsbordnetz (VBN) in Serie geschaltetes, elektrisches Bauteil (4) und
- eine erste Schalteinheit (SEI) , über die die zweite Ein-
/Ausgangsseite des Wandlers (1) zum einen unmittelbar mit dem Versorgungsbordnetz (VBN) und zum anderen mittelbar über das erste elektrische Bauteil (4) mit dem Versorgungsbordnetz (VBN) elektrisch verbindbar ist.
2. Schaltungsanordnung mit einem Antrieb (BKM) und einem Generator (G) , der mechanisch mit dem Antrieb (BKM) verbunden ist, die aufweist ein Versorgungsbordnetz (VBN) , mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (B2) und zumindest einem Verbraucher (v) , einen ersten Wandler (1) mit einer ersten Ein- /Ausgangsseite und einer zweiten Ein-/Ausgangsseite, bei dem die erste Ein-/Ausgangseite mit dem Generator (G) elektrisch verbunden ist, ein erstes elektrisches Bauteil (4), das einerseits mit dem ersten Wandler (1) elektrisch verbunden ist, und eine zweite Schalteinheit (SE2), über die das erste elektrische Bauteil (4) zum einen mit dem Versorgungsbordnetz (VBN) und zum anderen mit der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers elektrisch verbindbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Bauteil (4) und /oder das zweite elektrische Bauteil (4 ) induktive, kapazitive und/oder ohmsche Anteile aufweisen.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandler (1) ein uni- oder bidirektionaler Wechselspannungswandler ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, die einen zweiten Wandler (3) aufweist, der einerseits mit dem ersten elektrischen Bauteil (4) und andererseits mit dem Versorgungsbordnetz (VBN) elektrisch verbunden ist .
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler (3) ein uni- oder bidirektionaler Gleichspannungswandler ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Energiespeicher (B2) und dem Verbraucher (v) des Versorgungsbordnetzes (VBN) ein Schalter (S6) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnungen nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Ein- /Ausgangsseite des zweiten Wandlers (3) und dem Versorgungsbordnetz (VBN) ein Schalter (S5) angeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (G) ein Startergenerator ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von benutzergesteuerten Größen oder aufgrund von Betriebsgrößen, die erste Schalteinheit (SEI) und/oder die zweite Schalteinheit (SE2) geschaltet wird, die Leistung des Generators (G) gesteuert wird, und die Arbeitsrichtung und Arbeitsleistung des Wandlers (1) oder der Wandler (1 und 3) bestimmt wird.
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