WO2004070910A1 - Energieversorgungsschaltung für ein kraftfahrzeug-bordnetz - Google Patents

Energieversorgungsschaltung für ein kraftfahrzeug-bordnetz Download PDF

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WO2004070910A1
WO2004070910A1 PCT/EP2003/014219 EP0314219W WO2004070910A1 WO 2004070910 A1 WO2004070910 A1 WO 2004070910A1 EP 0314219 W EP0314219 W EP 0314219W WO 2004070910 A1 WO2004070910 A1 WO 2004070910A1
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battery
energy
energy store
electrical system
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PCT/EP2003/014219
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Wolfgang Dinser
Matthias Kronewitter
Anton Heni
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Daimlerchrysler Ag
Heni, Irmgard
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a power supply circuit for a motor vehicle electrical system according to the preamble of claim 1.
  • an on-board network for motor vehicles which comprises at least one battery, a generator and electrical consumers.
  • the battery and the generator are connected in parallel to each other.
  • a dynamic energy store is connected in parallel between the battery and the generator, and a controllable switch is arranged between the battery and the dynamic energy store, which switch can be actuated as a function of the state of charge of the battery and / or the operating temperature. If one is exceeded Operating temperature threshold or when the battery is just below full charge, the controllable switch is opened to prevent the battery from being destroyed.
  • DE 198 46 319 Cl discloses a power supply circuit for a motor vehicle electrical system with two voltage supply branches at different voltage levels.
  • the first voltage supply branch is fed from the second voltage supply branch via an electrical direct voltage converter and the two voltage supply branch is fed from a generator.
  • At least one voltage supply branch is buffered by an associated energy store.
  • a multiple converter with three voltage levels is formed, one input / output of which is connected to the second voltage supply branch, the other input / output of which is connected to the first voltage supply branch and the third input / output of which is connected to the energy store assigned to the first voltage supply branch. If necessary, the multiple converter enables variable distribution of the power flows between different inputs / outputs.
  • an on-board network for vehicles in which a battery and a high-performance energy store, such as a supercapacitor, alternately and others. be charged by braking energy.
  • the stored energy is among other things used to accelerate the vehicle.
  • the battery can be recharged with excess energy from the high-performance energy store.
  • the ISAD system comprises a two-voltage electrical system for 12V and 42V and is structured as follows.
  • An ISAD machine 30 is connected via a frequency converter 31 to a 42V electrical system which is used, for example, for an electronic A / C compressor, electronic steering, electronic valve control, electronic catalytic converter heating, etc.
  • the frequency converter 31 is connected via a DC / DC converter 32 to a 12 V electrical system which is used for light, radio, ECU, etc.
  • the frequency converter 31 as well as the DC / DC converter 32 are monitored by a control unit 33.
  • a 12V battery 34 which is connected to the 12V electrical system and a 42V starter battery 35 with the 42V electrical system.
  • the two batteries 34, 35 are each connected to a battery status monitoring system 36.
  • An ultra-cap is used, for example, as an energy store with low internal resistance.
  • the energy storage is integrated into the vehicle electrical system via a bidirectional DC / DC converter.
  • this task is performed by an energy supply circuit for a motor vehicle electrical system with the features of claim 1 solved.
  • Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
  • the losses are low due to the direct coupling of the energy storage device to the starter / generator.
  • voltage-controlled charging of a discharged energy store is possible via the starter / generator, which means that a higher degree of efficiency can be achieved than with the DC / DC converter.
  • a DC / DC converter is now sufficient for the integration of the energy store into the vehicle electrical system, which is designed for the average power of the energy store.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy supply circuit according to the invention for a motor vehicle electrical system
  • FIG. 2 shows a tabular representation of various operating states and associated charging states of an energy store and the correspondingly used energy sources for the vehicle electrical system
  • Fig. 3 shows the structure of a conventional ISAD system for a 12V / 42V electrical system.
  • FIG. 1 shows an energy supply circuit according to the invention for a motor vehicle electrical system using the example of a motor vehicle with a 12V electrical system.
  • the power supply circuit according to the invention can also be used in on-board electrical systems with a different voltage level or multi-voltage on-board electrical systems. With multi-voltage Vehicle electrical systems can then be modified according to the invention in one or more of the respective voltage branches.
  • M denotes a motor and 1 a starter generator, which can either be a belt-driven starter generator or an integrated starter generator which is connected to the motor M.
  • the starter-generator 1 is connected to the power supply circuit EV according to the invention via power electronics LE.
  • This power supply circuit has two different voltage supply branches.
  • the first voltage supply branch has a switch S1, via which the starter generator 1 with the downstream power electronics LE can be connected directly to a battery B, in the exemplary embodiment described a 12V battery with 70Ah, and the vehicle electrical system, here a 12V vehicle electrical system.
  • the second voltage supply branch has a switch S2, via which the starter generator 1 with downstream power electronics LE connects directly to an energy store 3, for example an Ultracap for 14V / 550F and via a DC / DC converter 2 to the vehicle electrical system, here the 12V electrical system can be connected.
  • the energy supply circuit E has a monitoring device 4, which monitors the state of charge of the battery B and of the energy store 3.
  • the monitoring result of the monitoring device 4 is fed to a control device 5 which, in response to this monitoring result, ie the charging states of the battery B and the energy store 3 and an operating state of the engine detected by a device not shown, ie one of those shown in FIG. 2 below States 0 to 4, ie first start, acceleration (boost), constant speed, braking (recuperation) or stop / start, a switchover of switches S1 and S2 and the DC / DC converter in such a way that always the lowest possible energy consumption and the highest possible energy storage is achieved.
  • Controllable semiconductor switches are preferably used as switches S1 and S2.
  • FIG. 2 various operating states of the vehicle with starter / generator 1 and different charging states of the energy store 3 are plotted against one another in tabular form, and the corresponding energy supply states of the energy store 3 and the battery B are indicated.
  • state 0 first start
  • state 1 acceleration (boost)
  • state 3 recuperation (braking process)
  • state 4 stop / start.
  • This is independent of the state of charge SOC of battery B.
  • switch S1 is closed and switch S2 is open.
  • switch S1 is open and switch S2 is closed.
  • the on-board electrical system is supplied with energy from the energy store 3 when the battery S ⁇ S% is charged and the battery B is charged.
  • switch S1 is closed and switch S2 is open.
  • the state of charge SOC of the battery B ⁇ 70% provides the energy store 3 with the energy for acceleration and the battery B with the energy for the electrical system.
  • Switch S1 is open and switch S2 is closed.
  • the battery B At a voltage level of the energy store 3 corresponding to that of the DC / DC converter 2, i.e. for example 9V, the battery B is supplied with energy and the battery B is charged when the state of charge SOC of the battery B is ⁇ 70%.
  • the switch S1 is closed and the switch S2 is open. If, on the other hand, the state of charge SOC of battery B is> 70%, only the on-board electrical system is supplied with energy by battery B.
  • the switches S1 and S2 are open.
  • the battery system B At a voltage level of the energy store 3 corresponding to the desired operating point, ie, for example 12V, the battery system B is supplied with energy by the energy store 3 and the battery B is charged with a state of charge SOC of the battery B ⁇ 70%.
  • the switch S1 is closed and the switch S2 is open. If, on the other hand, the state of charge SOC of battery B is> 70%, battery B supplies the vehicle electrical system with energy.
  • the switches S1 and S2 are open.
  • the on-board electrical system is supplied with energy from the energy store 3 and the battery B is charged when the state of charge SOC of the battery B is ⁇ 70%. In this state, switch S1 is closed and switch S2 is open. If, on the other hand, the state of charge SOC of the battery B is> 70%, the electrical system is supplied with energy from the energy store 3. The switches S1 and S2 are open.
  • switch S1 is open and switch S2 is closed, while in the alternative it is exactly the opposite.
  • the voltage of the energy store 3 depends on its capacity and the power electronics (for example 30V), the integrated starter / generator 1 and the DC / DC converter 2. At voltages of more than 15V, a further recuperation mode is possible for all states. Namely, a combined recuperation can take place, ie if the generator voltage U Gen > 15V, then the recuperation takes place in the energy store 3, otherwise it takes place in the battery B.
  • the energy supply takes place only in the case of the first start from the battery B, while it takes place at later starts or stops via the energy store 3, which is, for example, an ultracap.
  • the recuperation takes place primarily via the energy store 3.
  • the battery B can be charged to 95-100% and a constant recuperation energy that is independent of the battery state can be stored.
  • the on-board electrical system is supplied via DC / DC converter 2 during recuperation. After recuperation, the on-board electrical system is supplied via battery B if drive support is not possible or necessary.
  • the charge state threshold is set to 85% instead of 70%.
  • drive support by the integrated starter / generator with the energy from the energy store 3 can take place.
  • the on-board electrical system is fed via the DC / DC converter 2 and / or the battery B. In this way, it is now possible to adjust the DC / DC converter 2 only to the average power of the energy store 3 interpreted.
  • a starting process i.e. for example, a quick start with U >> 12V is basically done via the energy storage 3 without DC / DC coupling.
  • the battery size can be reduced by the on-board electrical system according to the invention. This has weight, packaging and cost advantages.
  • the life of the battery B is increased because its load is reduced.
  • the battery B can be charged as required with the DC / DC converter 2, which further increases the on-board electrical system reliability and starting security.
  • the present invention discloses an energy supply circuit for a motor vehicle electrical system with a starter generator, power electronics, at least one battery, at least one dynamic energy store and a DC / DC converter.
  • the energy supply circuit has a first connection branch provided with the DC / DC converter and connected to a connection of the dynamic energy store and a second connection branch connected to a connection of the battery. Both connection branches can be separated from the starter generator via controllable switches.
  • a control device controls the switches in the first and second connection branches and the DC / DC converter in response to a state of charge of the battery and the energy store and an operating state of the motor vehicle in such a way that existing recuperation energy is stored in the energy store, a drive support by energy from the energy store takes place as soon as it is charged, and until then, from the battery, energy from the energy storage is used for a quick start, the battery is charged according to its state of charge and, after recuperation, the vehicle electrical system is fed by the battery.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit einem Starter-Generator (1), einer Leistungselektronik (LE), mindestens einer Batterie (B), mindestens einem dynamischen Energiespeicher (3) und einem DC/DC-Wandler (2). Die Energieversorgungsschaltung weist einen ersten mit dem DC/DC-Wandler (2) versehenen und mit einem Anschluss des dynamischen Energiespeichers (3) verbundenen Verbindungszweig und einen zweiten mit einem Anschluss der Batterie (B) verbundenen Verbindungszweig auf. Beide Verbindungszweige sind über steuerbare Schalter (S1, S2) vom Starter-Generator (1) trennbar. Eine Steuerein richtung (5) steuert die Schalter (Sl, S2) in dem ersten und zweiten Verbindungszweig Bowie den DC/DC-Wandler (2) ansprechend auf einen Ladezustand der Batterie (B) und des Energiespeichers (3) Bowie einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs derart an, dass vorhandene Rekuperationsenergie im Energiespeicher (3) gespeichert wird, eine Antriebsunterstützung durch Energie aus dem Energiespeicher (3) erfolgt, sobald dieser geladen ist, and bis dahin aus der Batterie (B) , für einen Schnellstart Energie aus dem Energiespeicher (3) genützt wird, die Batterie entsprechend ihrem Ladezustand bedarfsgerecht geladen wird und nach einer Rekuperation das Bordnetz über die Batterie (B) gespeist wird.

Description

DaimlerChrysler AG
Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In Energieversorgungsschaltungen für Kraftfahrzeug-Bordnetzte für Fahrzeuge mit Starter/Generator-Systemen für Stopp/Start und Rekuperation werden die durch Start, Stopp bzw. Rekuperation entsprechenden Belastungen des Bordnetzes mittels eines Kondensators abgedeckt, in dem überschüssige Energie gespeichert bzw. dem Energie entzogen wird. Durch die Ausbildung des Kondensators kann die Batterie entlastet und damit ihre Lebensdauer gesteigert werden. Insbesondere kann durch das reproduzierbare Verhalten eines Kondensators gegenüber einer Batterie das Verbrauchspotential durch Rekuperation optimiert werden. Durch Einsatz eines Kondensators mit höherer Spannungslage als in einem 12V-Bordnetz erlaubt, z.B. 20V, wird eine Steigerung der Speicherenergie bei Rekuperation und eine Reduzierung der Startzeit des Motors im Stopp/Start-Betrieb erzielt .
Aus der DE 199 17 294 AI ist ein Bordnetz für Kraftfahrzeuge bekannt, das mindestens eine Batterie, einen Generator und e- lektrische Verbraucher umfasst . Der Batterie und der Generator sind zueinander parallel geschaltet. Zwischen der Batterie und dem Generator ist ein dynamischer Energiespeicher parallel geschaltet und zwischen der Batterie und dem dynamischen Energiespeicher ein steuerbarer Schalter angeordnet, der in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie und/oder der Betriebstemperatur betätigbar ist. Bei Überschreitung eines Schwellwerts der Betriebstemperatur oder, wenn die Batterie knapp unterhalb der Vollladung ist, wird der steuerbare Schalter geöffnet, um eine Zerstörung der Batterie zu verhindern.
Weiterhin offenbart die DE 198 46 319 Cl eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Span- nungsversorgungszweigen auf unterschiedlichen Spannungsebenen. Dabei ist der ersten Spannungsversorgungszweig über einen elektrischen Gleichspannungswandler von dem zweiten Spannungsversorgungszweig und der zwei Spannungsversorgungszweig von einem Generator gespeist wird. Zumindest ein Spannungsversorgung zweig ist durch einen zugeordneten Energiespeicher gepuffert. Es ist ein Mehrfachwandler mit drei Spannungsebenen ausgebildet, dessen einer Ein/Ausgang mit dem zweiten Spannungsversorgungszweig, dessen anderer Ein/Ausgang mit dem ersten Spannungsversorgungszweig und dessen dritter Ein/Ausgang mit dem dem ersten Spannungsversorgungszweig zugeordneten Energiespeicher verbunden ist. Der Mehrfachwandler ermöglicht bedarfsweise eine variable Aufteilung der Leistungsströme zwischen verschiedenen Ein/Ausgängen.
Zudem ist aus der DE 196 28 877 AI ein Bordnetz für Fahrzeuge bekannt, bei dem eine Batterie und ein Hochleistungsenergiespeicher, wie beispielsweise ein Superkondensator abwechselnd u.a. durch Bremsenergie geladen werden. Die gespeicherte E- nergie wird u.a. zum Beschleunigen des Fahrzeugs genutzt. Ferner kann die Batterie mit Überschussenergie des Hochleistungsenergiespeichers nachgeladen werden.
Schließlich ist aus der DE 100 63 751 AI ein Fahrzeugbordnetz bekannt, das einen Starter-Generator aufweist.
Ein ISAD (= Integrated Starter Alternator Damper) -System, d.h. ein Bordnetz für Integrierten Starter/Generator, wie es bei- spielsweise von Continental vertrieben wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Das ISAD-System umfasst ein Zwei-Spannungsbordnetz für 12V und 42V und ist wie folgt aufgebaut. Eine ISAD- Maschine 30 ist über einen Frequenzwandler 31 mit einem 42V- Bordnetz verbunden, das beispielsweise für einen elektronischer A/C-Kompressor, eine elektronische Lenkung, eine elektronische Ventilsteuerung, eine elektronische Katalysator- Heizung, usw. verwendet wird. Weiterhin ist der Frequenzwandler 31 über einen DC/DC-Wandler 32 mit einem 12V-Bordnetz verbunden, das für Licht, Radio, ECU, usw. verwendet wird. Der Frequenzwandler 31 ebenso wie der DC/DC-Wandler 32 werden durch eine Steuereinheit 33 überwacht. Weiterhin ist sowohl eine 12V-Batterie 34, die mit dem 12V-Bordnetz verbunden ist, als auch eine 42V Starter-Batterie 35 mit dem 42V-Bordnetz . Die beiden Batterien 34, 35 sind jeweils an ein Batterie- Status-Überwachungssystem 36 angeschlossen. Als Energiespeicher mit geringem Innenwiderstand wird beispielsweise ein Ultra-Cap verwendet. Der Energiespeicher wird in das Bordnetz über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler eingebunden.
Problematisch ist bei einem derartigen herkömmlichen System bzw. einer derartigen Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz jedoch, dass der DC/DC-Wandler auf die maximale Leistung des Energiespeichers ausgelegt werden muss. Dies hat einen größeren Aufwand und höhere Kosten zur Folge, insbesondere, da auch eine große Batterie erforderlich ist.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz derart weiterzubilden, dass es nicht mehr erforderlich ist, den DC/DC-Wandler auf die maximale Leistung des Energiespeichers auszulegen und die Batterie verkleinert werden kann, ohne die Bordnetzzuverlässigkeit und/oder die Startsicherheit zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Energieversor- gungsSchaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst . In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Durch die direkte Kopplung des Energiespeichers mit dem Starter/Generator sind die Verluste gering. Zudem ist eine spannungsgeregelte Aufladung eines entladenen Energiespeichers ü- ber den Starter/Generator möglich, wodurch ein besserer Wirkungsgrad als beim DC/DC-Wandler erzielbar ist. Zudem ist für die Einbindung des Energiespeichers in das Bordnetz nun ein DC/DC-Wandler ausreichend, der auf die mittlere Leistung des Energiespeichers ausgelegt ist.
Im Folgenden wird nun die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz,
Fig. 2 eine tabellarische Darstellung von verschiedenen Be- triebszuständen und zugehörigen Ladezuständen eines Energiespeichers und den entsprechend verwendeten E- nergiequellen für das Bordnetz, und
Fig. 3 den Aufbau eines herkömmlichen ISAD-Systems für ein 12V/42V-Bordnetz .
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz am Beispiel eines Kraftfahrzeugs mit einem 12V-Bordnetz gezeigt. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung auch bei Bordnetzen mit anderem Spannungsniveau oder Mehrspannungs-Bordnetzen verwendet werden. Bei Mehrspannungs- Bordnetzen kann dann einer oder mehrere der jeweiligen Spannungszweige erfindungsgemäß modifiziert werden.
In Fig. 1 bezeichnet M einen Motor und 1 einen Starter- Generator, der entweder ein riemengetriebener Starter- Generator oder ein integrierter Starter-Generator sein kann, der mit dem Motor M verbunden ist . Der Starter-Generator 1 ist über eine Leistungselektronik LE mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsschaltung EV verbunden.
Diese Energieversorgungsschaltung weist zwei verschiedene Spannungsversorgungszweige auf. Der erste Spannungsversorgungszweig weist einen Schalter Sl auf, über den der Starter- Generator 1 mit der nachgeschalteten Leistungselektronik LE direkt mit einer Batterie B, im beschriebenen Ausführungsbeispiel einer 12V Batterie mit 70Ah, und dem Bordnetz, hier einem 12V-Bordnetz verbindbar ist. Der zweite Spannungsversorgungszweig weist einen Schalter S2 auf, über den der Starter- Generator 1 mit nachgeschalteter Leistungselektronik LE direkt mit einem Energiespeicher 3, beispielsweise einem Ultra- cap für 14V/550F und über einen DC/DC-Wandler 2 mit dem Bordnetz, hier dem 12V-Bordnetz verbindbar ist. Weiterhin weist die Energieversorgungsschaltung E eine Überwachungseinrichtung 4 auf, die den Ladezustand der Batterie B sowie des E- nergiespeichers 3 überwacht. Das Überwachungsergebnis der Ü- berwachungseinrichtung 4 wird einer Steuereinrichtung 5 zugeführt, die ansprechend auf dieses Überwachungsergebnis, d.h. die Ladezustände der Batterie B und des Energiespeichers 3 sowie einen durch eine nicht gezeigte Einrichtung erfassten Betriebszustand der Motors, d.h. einen der in der nachfolgenden Figur 2 aufgeführten Zustände 0 bis 4, d.h. ErstStart, Beschleunigung (Boost) , konstante Geschwindigkeit, Bremsen (Rekuperation) oder Stop/Start, ein Umschalten der Schalter Sl und S2 sowie den DC/DC-Wandler derart steuert, dass immer ein geringstmöglicher Energieverbrauch sowie eine höchstmögliche Energiespeicherung erreicht wird.
Die genaue Funktionsweise der Steuereinrichtung, d.h. die An- steuerung der Schalter Sl und S2 abhängig vom ermittelten Ladezustand der Batterie B und des Energiespeichers 3 sowie dem Betriebszustand des Fahrzeugs wird in Verbindung mit Fig. 2 besser ersichtlich. Bevorzugt werden als Schalter Sl und S2 steuerbare Halbleiterschalter verwendet .
In Fig. 2 sind in tabellarischer Form verschiedene Betriebs- zustände des Fahrzeugs mit Starter/Generator 1 und verschiedene Ladezustände des Energiespeichers 3 gegeneinander aufgetragen und die entsprechenden Energieversorgungszustände des Energiespeichers 3 und der Batterie B angegeben. Es wird außerdem unterschieden zwischen einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% und einem Ladezustand SOC der Batterie B > 70%.
Es muss zwischen fünf verschiedenen Zuständen, nämlich Zustand 0 = Erststart, Zustand 1 = Beschleunigung (Boost) , Zustand 2 = konstante Geschwindigkeit (v = konstant) , Zustand 3 = Rekuperation (BremsVorgang) und Zustand 4 = Stop/Start unterschieden werden. Für diese wird nachfolgend genauer erläutert, wie die Energieentnahme bzw. Energiezufuhr von/zu Energiespeicher 3 und/oder Batterie B erfolgt. In der nachstehenden Erläuterung wird zusätzlich angegeben, in welchen Zustand die Steuereinrichtung 5 die Schalter Sl und S2 steuert.
Zustand 0 = Erststart :
- Im Fall eines Erststart, der in Fig. 2 als Zustand 0 bezeichnet ist, erfolgt, solange der Energiespeicher 3 leer ist, d.h. Uc = 0V, oder sich auf dem Spannungsniveau des DC/DC-Wandlers 2, d.h. beispielsweise Uc = 9V befindet, keine Entladung des Energiespeichers 3 und die Batterie B liefert die Energie sowohl für den Startvorgang als auch für das Bordnetz. Dies ist unabhängig vom Ladezustand SOC der Batterie B. In diesem Fall ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet.
- Wenn der Energiespeicher 3 einen Ladezustand entsprechend einem gewünschten Arbeitspunkt, beispielsweise Uc = 12V, aufweist oder vollständig gefüllt ist, beispielsweise Uc = 15V, dann wird unabhängig vom Ladezustand SOC der Batterie B die für den Start erforderliche Energie dem Energiespeicher 3 entnommen und das Bordnetz durch die Batterie B versorgt. In diesem Fall ist der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen.
Zustand 1 = Beschleunigung:
- Im Fall einer Beschleunigung des Fahrzeugs wird bei leerem Energiespeicher 3, d.h. Uc = 0V, bzw., wenn sich der Energiespeicher 3 auf dem Spannungsniveau des DC/DC- Wandlers 2, z.B. Uc = 9V, befindet, bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% nur das Bordnetz aus der Batterie B mit Energie versorgt, hierbei sind die Schalter Sl und S2 geöffnet, während bei einem besseren Ladezustand SOC der Batterie B die Batterie B zusätzlich auch die Energie für die Beschleunigung liefert, hierbei ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet .
- Wenn hingegen der Energiespeicher 3 sich auf dem gewünschten Arbeitspunkt befindet, d.h. Uc = 12V, oder der Energiespeicher 3 voll ist, d.h. Uc = 15V, wird bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% das Bordnetz aus dem Energiespeicher 3 mit Energie versorgt und die Batterie B geladen. In diesem Zustand ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% liefert hingegen der Energiespeicher 3 die Energie für die Beschleunigung und die Batterie B die Energie für das Bordnetz. Dabei ist der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen.
Zustand 2 = konstante Geschwindigkeit :
- Im Fall einer konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird bei leerem Energiespeicher 3, d.h. Uc = 0V und einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% das Bordnetz durch die Batterie B mit Energie versorgt und die Batterie B geladen. Dazu ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Wenn hingegen der Ladezustand SOC der Batterie B < 70% ist, wird der Energiespeicher 3 mittels Rekuperation über den Generator 1 geladen und das Bordnetz durch die Batterie B mit Energie versorgt. Dabei ist der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen.
- Bei einem Spannungsniveau des Energiespeichers 3 entsprechend dem des DC/DC-Wandlers 2, d.h. beispielsweise 9V, wird bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% das Bordnetz durch die Batterie B mit Energie versorgt und die Batterie B geladen. Hierbei ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Wenn hingegen der Ladezustand SOC der Batterie B > 70% ist, wird nur das Bordnetz durch die Batterie B mit Energie versorgt. Dabei sind die Schalter Sl und S2 geöffnet.
- Bei einem Spannungsniveau des Energiespeichers 3 entsprechend dem gewünschten Arbeitspunkt, d.h. beispielsweise 12V, wird bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% das Bordnetz durch den Energiespeicher 3 mit Energie versorgt und die Batterie B geladen. Dabei ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Wenn hingegen der Ladezustand SOC der Batterie B > 70% ist, wird das Bordnetz durch die Batterie B mit Energie versorgt. Dabei sind die Schalter Sl und S2 geöffnet.
- Wenn der Energiespeicher 3 voll ist, d.h. beispielsweise Uc = 15V ist, wird bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% das Bordnetz aus dem Energiespeicher 3 mit Energie versorgt und die Batterie B geladen. In diesem Zustand ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Wenn hingegen der Ladezustand SOC der Batterie B > 70% ist, wird das Bordnetz aus dem Energie Speicher 3 mit Energie versorgt. Hierbei sind die Schalter Sl und S2 geöffnet.
Zustand 3 = Rekuperation (Bremsvorgang) :
- Im Falle eines Bremsvorgangs wird bei leerem Energiespeicher 3 der Energiespeicher 3 durch Rekuperation über den Generator 1 aufgeladen und das Bordnetz wird durch die Batterie B mit Energie versorgt, unabhängig davon, wie der Ladezustand SOC der Batterie B ist. Dabei ist der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen.
- Wenn der Energiespeicher 3 auf dem Spannungsniveau des DC/DC-Wandlers 2 ist, d.h. beispielsweise Uc = 9V, wird unabhängig vom Ladezustand SOC der Batterie B der Energiespeicher 3 durch Rekuperation über den Generator 1 aufgeladen und das Bordnetz durch die Batterie B mit E- nergie versorgt. Alternativ ist es möglich, bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% die Batterie B mittels Rekuperation über den Generator 1 aufzuladen. Im ersten Fall ist dabei der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen, während es bei der Alternative genau umgekehrt ist . - Wenn der Energiespeicher 3 sich im gewünschten Arbeitspunkt befindet, d.h. beispielsweise Uc = 12V, wird bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% der Energiespeicher 3 mittels Rekuperation über den Generator 1 aufgeladen und die Batterie B versorgt das Bordnetz. Dann ist der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen. Alternativ kann auch nur die Batterie B mittels Rekuperation über den Generator 1 aufgeladen werden. Hierbei ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Wenn der Ladezustand SOC der Batterie B > 70% ist, wird der Energiespeicher 3 mittels Rekuperation über den Generator 1 aufgeladen und versorgt das Bordnetz. Dazu ist der Schalter Sl geöffnet und der Schalter S2 geschlossen.
- Wenn schließlich der Energiespeicher voll ist, d.h. beispielsweise Uc = 15V ist, wird bei einem Ladezustand SOC der Batterie B < 70% das Bordnetz aus dem Energiespeicher 3 mit Energie versorgt und die Batterie B mittels Rekuperation über den Generator 1 aufgeladen. Dabei ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. Wenn hingegen der Ladezustand SOC der Batterie B > 70% ist, wird das Bordnetz aus der Batterie B mit Energie versorgt. Dazu sind die Schalter Sl und S2 geöffnet.
Zustand 4 = Stop/Start :
- Wenn bei einem Stop bzw. Start des Fahrzeugs der Energiespeicher 4 leer ist oder ein Spannungsniveau entsprechend dem DC/DC-Wandler 2 aufweist, beispielsweise Uc = 9V, dann wird unabhängig vom Ladezustand SOC der Batterie B die für den Start erforderliche Energie sowie die Energie zur Versorgung des Bordnetzes von der Batterie B geliefert. Dabei ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet. - Wenn der Energiespeicher sich im gewünschten Arbeits- punkt befindet, d.h. beispielsweise Uc = 12V ist, dann wird unabhängig vom Ladezustand der Batterie B die für den Start erforderliche Energie dem Energiespeicher3 entnommen und das Bordnetz durch die Batterie B mit E- nergie versorgt. In diesem Zustand ist der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 geöffnet.
- Wenn schließlich der Energiespeicher 3 voll ist, d.h. beispielsweise Uc = 15V ist, dann wird die Energie für den Start sowie zur BordnetzVersorgung dem Energiespeicher 3 entnommen. Dazu ist der Schalter S2 geschlossen und der Schalter Sl geöffnet.
Die Spannung des Energiespeichers 3 ist abhängig von seiner Kapazität und der Leistungselektronik (z.B. 30V), dem integrierten Starter/Generator 1 sowie dem DC/DC-Wandler 2. Bei Spannungen von mehr als 15V ist für alle Zustände ein weiterer Rekuperationsmodus möglich. Nämlich kann eine kombinierte Rekuperation erfolgen, d.h. wenn die Generatorspannung UGen > 15V ist, dann erfolgt die Rekuperation in den Energiespeicher 3, ansonsten erfolgt sie in die Batterie B.
Somit erfolgt mit der erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur die Energieversorgung nur im Fall des Erststart aus der Batterie B, während sie bei späteren Starts oder Stopps über den Energiespeicher 3 erfolgt, der beispielsweise ein Ultracap ist .
Die Rekuperation erfolgt primär über den Energiespeicher 3. Dadurch ist die Batterie B zu 95-100% aufladbar sowie eine konstante, batteriezustandsunabhängige Rekuperationsenergie speicherbar. Die Bordnetzspeisung erfolgt während der Rekuperation über den DC/DC-Wandler 2. Nach der Rekuperation erfolgt die Bordnetzspeisung über die Batterie B, wenn keine Antriebsunterstützung möglich oder nötig ist.
Bei überschüssiger Rekuperationsenergie kann eine Rückspeisung auf in die Batterie B erfolgen, dann wird als Ladezustandsschwelle anstelle von 70% 85% eingestellt.
Es kann bei der erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur eine Antriebsunterstützung durch den integrierten Starter/Generator mit der Energie aus dem Energiespeicher 3 erfolgen.
Bis der Energiespeicher 3 nach einem Erststart geladen ist, erfolgt eine Antriebsunterstützung aus der Batterie B.
Während der Rekuperation in den Energiespeicher 3 erfolgt eine Speisung des Bordnetzes über den DC/DC-Wandler 2 und/oder die Batterie B. Auf diese Weise ist es nun möglich, den DC/DC-Wandler 2 nur auf die mittlere Leistung des Energiespeichers 3 auszulegen.
Ein Startvorgang, d.h. beispielsweise ein Schnellstart mit U>> 12V, erfolgt grundsätzlich über den Energiespeicher 3 ohne DC/DC-Kopplung.
Durch das erfindungsgemäße Bordnetz kann die Batteriegröße reduziert werden. Dies hat Gewichts-, Packaging- und Kostenvorteile .
Zudem wird die Lebensdauer der Batterie B gesteigert, da ihre Belastung reduziert wird. Schließlich kann der Batterie B mit dem DC/DC-Wandler 2 bedarfsgerecht geladen werden, was die Bordnetzzuverlässigkeit und Startsicherheit weiter erhöht .
Schließlich wird die Startsicherheit auch bei einer teile t- ladenen Batterie B weiter verbessert.
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine E- nergieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit einem Starter-Generator, einer Leistungselektronik, mindestens einer Batterie, mindestens einem dynamischen Energiespeicher und einem DC/DC-Wandler. Die Energieversorgungsschaltung weist einen ersten mit dem DC/DC-Wandler versehenen und mit einem Anschluss des dynamischen Energiespeichers verbundenen Verbindungszweig und einen zweiten mit einem Anschluss der Batterie verbundenen Verbindungszweig auf. Beide Verbindungszweige sind über steuerbare Schalter vom Starter- Generator trennbar. Eine Steuereinrichtung steuert die Schalter in dem ersten und zweiten Verbindungszweig sowie den DC/DC-Wandler ansprechend auf einen Ladezustand der Batterie und des Energiespeichers sowie einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs derart an, dass vorhandene Rekuperationsenergie im Energiespeicher gespeichert wird, eine Antriebsunterstützung durch Energie aus dem Energiespeicher erfolgt, sobald dieser geladen ist, und bis dahin aus der Batterie, für einen Schnellstart Energie aus dem Energiespeicher genützt wird, die Batterie entsprechend ihrem Ladezustand bedarfsgerecht geladen wird und nach einer Rekuperation das Bordnetz über die Batterie gespeist wird.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz mit: einem Starter-Generator (1) , einer Leistungselektronik (LE) , mindestens einer Batterie (B) , mindestens einem dynamischen Energiespeicher (3) und einem DC/DC-Wandler (2), wobei der Starter-Generator (1) über einen ersten Verbindungszweig, in dem der DC/DC-Wandler (2) angeordnet ist, mit dem Bordnetz verbindbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Starter-Generator (1) über einen zweiten Verbindungs- zweig mit dem Bordnetz verbindbar ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Verbindungs- zweig an ihrer mit dem Starter-Generator (1) verbundenen Seite jeweils einen Schalter (Sl, S2) aufweisen, über den der Verbindungszweig aufgetrennt werden kann, die Batterie (B) bordnetzseitig zwischen dem zweiten Verbindungszweig und Masse verbunden ist, der Energiespeicher (3) zwischen dem Schalter (S2) im ersten Verbindungszweig und dem DC/DC-Wandler (2) zwischen Masse und dem ersten Verbindungszweig verbunden ist, und eine Steuereinrichtung (5) ausgebildet ist, die Schalter (Sl, S2) in dem ersten und zweiten Verbindungszweig sowie den DC/DC-Wandler (2) ansprechend auf einen Ladezustand der Batterie (B) und des Energiespeichers (3) sowie einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs derart ansteuert, dass
- vorhandene Rekuperationsenergie im Energiespeicher (3) gespeichert wird und optional, wenn der Energiespeicher
(3) voll geladen ist, vorhandene Rekuperationsenergie zum Laden der Batterie (B) genützt wird,
- eine Antriebsunterstützung durch Energie aus dem Energiespeicher (3) erfolgt, sobald der Energiespeicher (3) nach einem Erststart geladen ist und bis zu diesem Zeitpunkt eine Antriebsunterstützung aus der Batterie (B) erfolgt,
- für einen Schnellstart Energie aus dem Energiespeicher (3) genützt wird,
- die Batterie entsprechend ihrem Ladezustand bedarfsgerecht geladen wird und
- nach einer Rekuperation das Bordnetz über die Batterie (B) gespeist wird.
2. Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass weiterhin eine Überwachungseinrichtung (4) ausgebildet ist, die den Ladezustand der Batterie (B) und des Energiespeichers (3) überwacht und das Überwachungsergebnis an die Steuereinrichtung (5) übermittelt.
3. Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schalter (Sl, S2) als steuerbare Halbleiterschalter ausgeführt sind.
4. Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dynamische Energiespeicher (4) als Kondensator ausgeführt ist.
5. Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kondensator als Supercap oder Ultracap ausgeführt ist.
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