WO2009109415A1 - Vorrichtung zur kopplung mehrerer teilnetze - Google Patents

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WO2009109415A1
WO2009109415A1 PCT/EP2009/050745 EP2009050745W WO2009109415A1 WO 2009109415 A1 WO2009109415 A1 WO 2009109415A1 EP 2009050745 W EP2009050745 W EP 2009050745W WO 2009109415 A1 WO2009109415 A1 WO 2009109415A1
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WO
WIPO (PCT)
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current
port
memory
coupling
switching means
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/050745
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English (en)
French (fr)
Inventor
Guenter Reitemann
Marcus Abele
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2009109415A1 publication Critical patent/WO2009109415A1/de

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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
    • H02J7/1423—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 with multiple batteries
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for coupling a plurality of subnetworks according to the preamble of the independent claim.
  • a generic device is already known from DE 10 2005 015 993 Al.
  • the coupling device comprises at least one switch, in particular an intelligent switch, via which the memory is decoupled from the power memory under predeterminable conditions, for example when there is a high power requirement, whereby the cyclization of the memory can be reduced.
  • the maximum current to be supplied by the energy store is limited and a deep discharge of the energy store is prevented, whereby the life of the lead-acid battery can be extended.
  • the onboard power supply battery used in a vehicle is determined constructively and design-wise above all by the requirements of an engine start at very low temperatures.
  • the vehicle battery is oversized. Since just today used standard lead-acid battery has a high weight, thus resulting in addition adverse effects on the vehicle weight.
  • capacitors with high capacity the size of the starter battery can be reduced. Thus, it is possible to save weight, space and lead in the vehicle.
  • the voltage loss via the line connection to the starter plays a particularly design-relevant role.
  • the electrical line connection to the starter must be made low-ohmic with a large cross-section, making the line heavy, inflexible, and relatively expensive, especially for copper material.
  • Special problems, such as E MV radiation result from it, if the battery for reasons of space, for example, in the trunk must be accommodated and a long line through the vehicle runs.
  • the vehicle electrical system is increasingly being segmented into subnetworks, which in some cases contain separate memories.
  • batteries two-battery or multi-battery systems
  • Power memories such as double-layer capacitors, are also being investigated and favored for in-vehicle applications.
  • memory batteries and / or capacitors
  • the equalizing currents can be several hundred A here. This affects the storage and switching contact life and the stability of the electrical system.
  • DC-DC converters (DC / DC converters) are relatively expensive, especially at higher powers, requiring additional installation space and cooling concepts.
  • the device according to the invention for coupling a plurality of subnetworks with the features of the independent claim has the advantage that at the start of the engine a subnetwork can be decoupled from the main network. This makes it possible to avoid noticeable voltage dips for the driver, which would be clearly noticeable to the vehicle driver, especially in the case of the frequent engine starts of a start-stop system.
  • An electrical system storage of a sub-network for example, provide the other consumers, while the other subnet with its separate memory provides the power for the engine start.
  • high compensation currents and current gradients between storage with different state of charge can be avoided or limited.
  • the coupling device is very flexible, so that it can be used in different on-board network topologies.
  • the device is simple and therefore cost-effective and designed as a functional unit, which avoids, for example, distributed switching elements in the electrical system. For example, it can be used as a so-called add-on solution for existing architectures. Between the connection ports of the device, it offers a high degree of flexible switching options.
  • the device also makes it possible to integrate additional memories, which may also be of different types, particularly easily into the vehicle electrical system. So the device can be used equally for batteries and Double layer capacitors are used. Double-layer capacitors can be protected by the device against overcharging and thus against destruction.
  • a power storage is separated by a current control and the switching options from the rest of the electrical system.
  • this memory can also be operated with a higher voltage or a variable voltage.
  • a higher voltage can be made possible, for example, in a recuperation phase by means of a corresponding regulation of the vehicle electrical system generator.
  • Such operating modes of a standard generator are already known per se, but can be implemented well with the coupling device according to the invention.
  • This device eliminates the need for an expensive and explicitly designed DC / DC converter.
  • subnets can be coupled flexibly and separated from each other. This makes it possible to supply, for example, safety-relevant consumers in a subnet in the event of a fault in the main on-board network preferred.
  • FIG. 1 shows the device for coupling (coupling device) of several subnetworks in an on-board network topology with double-layer capacitor
  • 2 shows the coupling device in an on-board network topology with a subnet consisting of starter and starter battery
  • 3 shows the coupling device in an on-board network topology with Rekuperations appointed and a generator with variable output voltage
  • FIG. 4 shows the more detailed construction of the device for coupling a plurality of subnetworks
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of the current regulation or current source of the coupling device
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the current regulation or current source of the coupling device
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of the current regulation or current source of the coupling device
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of the coupling device, which enables current-clock operation
  • FIG. 9 shows a block diagram of a multi-channel current regulation
  • FIG. 11 shows a second embodiment of the multi-channel current control of Figure 9.
  • a coupling device 10 for coupling a number of subnetworks has three output ports, namely Port A, Port B and Port C.
  • Port A and Port B can be electrically conductively connected to each other via a first switching means 12.
  • Parallel to the first switching means 12 are a second switching means 14 and a current source 16.
  • port C is led out, which via a first memory 22, for example a Double layer capacitor, grounded.
  • the pointing to port B arrow on the power source 16 is intended to indicate that it is a unidirectional power source 16, which can generate a current flow from port B to port C.
  • a starter 20 is connected, which in turn is connected to ground.
  • a second memory 26 such as a battery and exemplified an on-board network consumers 28th
  • the on-board network topology according to FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in particular in that a second memory 26 ' (energy or power storage) is provided parallel to the starter 20.
  • the current source 16 'of the coupling device 10 is now bidirectional (indicated by the double arrow) and is located between port B and port C.
  • On port C is an exemplary running as a backup battery memory 22 ' (energy or power storage) connected, the other connection in turn connected to ground.
  • Port A are now only the generator 24 and the electrical system consumers 28, which are connected in parallel.
  • the embodiment according to FIG. 3 differs with regard to the on-board network topology in that a generator 24 with a variable output voltage (for example between 14 and 42 V) is now connected to the port A. At the potential of port C are parallel connected to ground a exemplified run as a battery memory 26 and a vehicle electrical system 28, which form an example of components of the main on-board network.
  • the current source 16 of the coupling device 10 is now again arranged between port B and port C. At the potential of the port B are now parallel to ground an exemplary designed as a double-layer capacitor memory 22 and the starter 20.
  • the memory 22 serves as Rekuperations Grande.
  • the starter 20 could also be arranged in the main on-board network, in which case only recuperation into the memory 22 (power storage) would be possible.
  • the coupling device 10 is shown in more detail.
  • the coupling device 10 comprises an interface 32, which can serve via a port D for bidirectional data exchange.
  • current limit values in the form of upper current limit value lo, lower current limit value Iu and higher upper current limit value Ib or voltage limit values Ug may be stored in the controller 30.
  • the controller 30 could also be supplied with the potential at the port C and the potential at the port B, in order to control the first, second switching means 12, 14 or the current source 16 in a suitable manner depending thereon.
  • a current controller 44 which could be part of the controller 30, depending on the output signal of a current sensor 40 controls a switching means 48 at.
  • the switching means 48 is connected to port B and to an inductance 42 and the cathode of a diode 46 whose anode is connected to ground and which is used as a freewheeling diode.
  • the freewheeling diode could also be realized as an active component.
  • the other terminal of the inductance 42 is connected to the port C via the current sensor 40.
  • the embodiment of the current source 16 according to FIG. 6 differs from that according to FIG. 5 by the possibility of a bidirectional current conduction between port B and port C.
  • a switching means 59 is provided which is arranged between the current sensor 40 and port C and also by the current regulation 44 is controlled.
  • a further diode 57 is now connected to ground, which serves as a further freewheeling diode for generating a counter-current current flow.
  • the embodiment of the current source 16 " according to Figure 7 supplements that of Figure 6 by a further current sensor 61, which is arranged between the switching means 48 and the common connection point of the inductor 62 and diode 46.
  • the current sensor 61 provides a measure of the detected current to the Current regulation 44.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 8 differs from that according to FIG. 1, first, in the cyclical activation of the switching means 12, 14. With the switching means 12, 14, current-clock operation is now possible. This has the advantage, for example, that the starter 20 connected to port A can be supplied with a constant or optimum current level via switching means 12 and / or switching means 14. As a result, for example, a free flow sharing between the two memories 22, 26 possible.
  • a freewheel device 72 is integrated, here exemplified running as freewheeling diode.
  • a particular feature of the embodiment according to FIG. 8 is that the starter inductance is used for the current clocking.
  • FIG. 9 there is an advantageous variant of the current regulation in a multi-channel design.
  • a first current channel 76 and a second current channel 78 connected in parallel to one another, are used between port B and port C.
  • FIGS. 10 and 11 show two exemplary implementations of the multi-channel embodiment.
  • the first current channel 76 consists of a series-connected switching means 48, inductance 42 and current sensor 40, wherein between diode 48 and inductance 42 the diode 46 is connected to ground and acts as a freewheeling means.
  • the second current channel 78 is constructed in accordance with switching means 88, diode 86, inductance 82 and current sensor 80.
  • the current channels 76, 78 are switched overlapping, ie, while, for example, the first current channel 76 still conducts and increases to a maximum value of, for example 20A, is already the second current channel 78 is switched on.
  • the control of the switching means 48, 88 is realized so that just a constant or quasi-constant current flow results for port C, for example 20A.
  • the embodiment can also be designed so that in a boost mode both current channels 76, 78 simultaneously deliver the respective maximum current and thereby adjusts the double current at port C. This could be a port C connected Memory 22 can be loaded in half the time.
  • the use of multiple channels reduces the impact on the base board network, such as ripple.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 11 differs from that according to FIG. 10 only in that only a single current sensor 40 is provided, which detects the current flowing through both current channels 76, 78. However, the basic mode of operation does not differ from that according to FIG. 10.
  • the first switching means 12 decouples the subnetwork A (which is connected to the coupling device 10 via port A) from subnetwork B (which is connected to the coupling device 10 via port B).
  • the states of the switching means 12, 14 and the current control 44 are predetermined or controlled by an external control device in the vehicle.
  • the coupling device 10 automatically decides with the aid of the internal control 30 on the basis of the port states (via port voltages and port currents) about the suitable coupling states between the ports.
  • port B and port C are not connected via the switching means 12, 14 until the difference between the voltage levels at port B and port C is below a certain voltage limit Ug.
  • Ug is exceeded, at least one of the switching means 12, 14 is opened and the memory 22 is charged via the current source 16.
  • the current timing of the switching means 12, 14 is available as a further operating mode.
  • the switching means 12, 14 are in this case designed so that a current clock operation is possible with them to the optimum current level for example, the starter 20 or a free flow sharing between the memories 22, 26. Even unwanted current peaks can be avoided in this way.
  • the first switching means 12 As part of an emergency start function - when not sufficient for starting energy content of the first memory 22 - the first switching means 12 is closed. The starter 20 is now fed via the second memory 26, while the second switching means 14 is opened.
  • the first memory 22, which is discharged, should be charged via the current source 16.
  • the first switching means 12 is opened first.
  • the first memory 22 is charged via the power source 16 as described later.
  • the first switching means 12 could be closed because then no equalizing current flows.
  • the state of charge of the memory 22, preferably a double-layer capacitor (DLC) can be determined and monitored by means of a voltage measurement.
  • the memory 22, which serves as a power storage is of the Memory contents designed so that it provides the energy for at least one engine start, advantageously also several engine starts. Further, a lower voltage limit of the startup enable memory 22 may be selected depending on the outside temperature and / or the engine temperature.
  • the first peak current is taken from the first memory 22, preferably from the DLC acting as a power memory. Thereafter, the second memory 26 is switched on via the switching means 12. In this variant, the first memory 22 could be made smaller.
  • At least one of the switching means 12, 14 must be open.
  • the first memory 22 is charged with a relatively large current.
  • boost function is realized. This is done by the controller 30 or current control 44 predetermining a current limit value Ib which is higher than the normal charging mode and which, for example, is 60 A.
  • Ib current limit value
  • a fast charging of the first memory 22 is required because the start of the engine, namely the food of the starter 20 is made about this during start-stop operation.
  • controller 30 controls depending on various input variables, such as the potential at ports B and C (derived from the potential at port A), first and second switching means 12, 14 and the power source 16 at. Furthermore, the controller 30 exchanges data by means of interface 32 via port D, which is used for communication. Thus, the controller 30 deactivates the current source 16 upon reaching a certain voltage value at the port C or upon reaching a predetermined voltage difference between port B and port C.
  • port B and port C are connected via the switching means 12, 14 only if the voltage difference between Port B and Port C have a specific value has fallen below. Furthermore, the switching means 12, 14 are controlled so that at high power requirements in a subnetwork A, B, C, these do not adversely affect the other connected subnets.
  • the exemplary embodiment of the current source 16 according to FIG. 5 will be described below, as it has been integrated into the on-board network topology according to FIG.
  • This is a unidirectional power source 16, which allows a current flow from port B to port C. Depending on certain margins, power is to be supplied from port B to port C to charge the memory 22 connected to port C.
  • the current controller 44 controls the switch 48 in the sense of closing, so that a current flows from the port B via the closed switch 48 via the inductance 42 to the port C. This current is detected by the current sensor 40 and supplied to the current control 44.
  • the current control 44 compares the detected current with an upper current limit lo, which is 22 A, for example.
  • the current regulation 44 opens the switch 48.
  • the inductance 42 acting as current storage device further drives the current.
  • the diode 46 acting as freewheeling diode applies the ground potential to the one terminal of the inductance 42, since it is now operated in the direction of flow.
  • a current continues to flow from the inductance 42 to port C.
  • the current level stops in the context of an e-function. If the current detected by the current sensor 40 falls below the lower current limit value Iu, which is, for example, 18 A, the switch 48 is closed again.
  • the inductance 42 has the further advantage that it limits the current increase. Should the current again reach the upper current limit Io, the current regulation 44 opens the switching means 48 again.
  • the current source 16 thus supplies a unidirectional current which lies between the upper current limit value Io and the lower current limit value Iu.
  • the current source 16 thus operates in the form of a two-point control in order to provide an approximately constant current.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6 is expanded by a current source 16 ' , which allows a bidirectional current flow direction.
  • the associated on-board network topology is shown for example in FIG.
  • the current is able to flow from port B to port C.
  • the switch 59 is closed, the switch 48 is driven as already described in connection with Figure 5.
  • the current control 44 in turn ensures that the current remains within certain limits lo, lu.
  • a current flow from port C to port B can now also be achieved.
  • both switches 48, 59 to close. If the current sensed by the current sensor 40 rises above the upper current limit value lo, the current control 44 opens the switch 59.
  • the second diode 57 now functions as a free-wheeling diode and brings the one terminal of the inductance 42 to ground potential.
  • the inductance 42 drives the current further in the direction of port B. If the current again reaches the lower current limit Iu, which can be estimated, for example, via the known PTI behavior of the inductance 42, the switch 59 is closed again. In the last-mentioned embodiment, the current sensor 40 can no longer detect any current flow since it lies behind the contact point of the second diode 57 with the inductance 42.
  • the switch 59 is closed again after a fixed time interval which is selected as a function of the PTI behavior of the inductance and a corresponding drop in the current.
  • a further current sensor 61 is now provided according to FIG. As a result, it is now achieved that the current flowing in the direction of port B is reliably detected. If the current detected by the current sensor 61 falls below the lower current limit Iu, then the current control 44 again closes the switch 59. If a current flow in the direction of port C is desired, then the current regulation 44 proceeds as already described in connection with FIG.
  • Iu and Ib can be influenced via the controller 30.
  • the controller 30 instead of Io predetermines a higher upper current limit Ib. This could for example be 60 A. Ie. In the embodiment according to FIG. 5, the switch 48 would only be opened when a current flow has reached 60 A. This allows a faster charging of the memory 22, which is connected to port C.
  • the current source 16 is designed as a current control in the form of a two-step control with hysteresis.
  • switches 48, 59 semiconductor switches with integrated current measurement could be used at least partially. Then could be dispensed with a separate current sensor 40 and 61, respectively.
  • the switching means 12, 14 are preferably designed start current or high current capable.
  • the controller 30 could be provided in the controller 30 depending on the outside temperature lower voltage limit, from the port 22, the memory 22 to be recharged.
  • suitable means for the state detection of one or more batteries may be provided as possible memories 26.
  • the controller 30 could control the switching means 12, 14 and the switches 48, 59 depending on, for example, the state of charge of the battery (s) 26.
  • the state of charge of the memory 22, embodied for example as a DLC, can be determined, for example, via a voltage measurement on the memory 22.
  • the coupling device 10 can be used in different subnetwork topologies. It is also particularly suitable for a vehicle electrical system with Rekuperations horrkeit. This topology is indicated in FIG. Thus, the double-layer capacitor 22 acts as a recuperation storage, by now a generator 20 is provided with variable output voltage. Thus, the recuperation memory 22 is loaded via port B with a suitable control of the coupling device 10. Under certain circumstances, additional high-power consumers such as the starter 20 may be connected to this subnet. At Port C could be the main on-board network, consisting of the on-board battery as memory 26 and other on-board consumers 28 connected.
  • the switching means 12, 14 are switched such that the generator 20 either feeds, for example, 14 volts into the main on-board network via port C or charges its output power with a variable voltage into the memory 22 serving as a power storage (for example for recuperation).
  • a certain power can be fed via the power source 16 into the main on-board network connected via port C.
  • a data connection can be recorded in a start-stop system or other vehicle systems (for example, for recuperation) to tune the current mode of operation.
  • the coupling device 10 is provided as a universal module for coupling a plurality of electrical subnets in the motor vehicle. It increases the comfort gain through all-electric vehicle functionality during engine starts and during engine stop phases. Furthermore, it limits the equalizing currents when coupling electric storage 22, 26. In addition, it can be easily integrated into the conventional vehicle electrical system. It is also suitable for new wiring systems concepts, since at least two electrical systems can be coupled, in particular three. On expensive DC / DC converter can be omitted. By using an inductance 42 as part of the current source 16, the current gradients can be limited. An intelligent operating strategy makes it possible to selectively prevent high switching currents.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Kopplung von mindestens zwei Teilnetzen vorgeschlagen, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, welche zumindest ein Kopplungsmittel (12, 14) umfasst, über das die mindestens zwei Teilnetze verbunden werden können. Weiterhin ist eine Stromquelle (16) vorgesehen zur Speisung zumindest eines der Teilnetze.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Kopplung mehrerer Teilnetze
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Kopplung mehrerer Teilnetze nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bereits aus der DE 10 2005 015 993 Al bekannt. Die Kopplungsvorrichtung umfasst wenigstens einen Schalter, insbesondere einen intelligenten Schalter, über den der Speicher bei vorgebbaren Bedingungen, beispielsweise bei hohem Strombedarf, vom Leistungsspeicher entkoppelt wird, wodurch die Zyklisierung des Speichers verringert werden kann. Zusätzlich wird der vom Energiespeicher zu liefernde Maximalstrom begrenzt und eine Tiefentladung des Energiespeichers verhindert, wodurch sich die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie verlängern lässt.
Beim Start eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs werden insbesondere im Winter bei sehr tiefen Temperaturen hohe Leistungen und Ströme benötigt. So können die erforderlichen Spitzenströme je nach Größe des Fahrzeugmotors einige 100A bis zu 1000A betragen. Diese hohen Ströme werden bislang aus der Bordnetzbatterie gespeist. Die heutige Systemkonfiguration hat sowohl bei konventionellen Startanlagen wie auch bei Start- Stopp-Systemen mehrere Nachteile. Denn durch die hohen Spitzenströme verursachten Spannungseinbrüche im Bordnetz beim Motorstart bekommt der Fahrer über eine kurzzeitige Beeinträchtigung der elektrischen und elektronischen Geräte und Systeme zu spüren. So fallen oft zumindest die Geräte aus, die selbst keine Puffermaßnahmen zur Überbrückung eines kritischen Spannungseinbruchs enthalten, wie beispielsweise Infotainmentgeräte. Besonders bei den relativ häufigen Starts eines Start- Stopp-Systems ergibt dies unter Umständen eine deutliche spürbare Beeinträchtigung für den Fahrer. Die in einem Fahrzeug eingesetzte Bordnetzbatterie wird konstruktiv und auslegungstechnisch vor allem von den Anforderungen eines Motorstarts bei sehr tiefen Temperaturen bestimmt. Für die meisten Betriebsszenarien ist die Fahrzeugbatterie überdimensioniert. Da gerade die heute standardmäßig eingesetzte Blei-Säure-Batterie ein hohes Gewicht besitzt, ergeben sich somit zusätzlich nachteilige Auswirkungen für das Fahrzeuggewicht. Durch den Einsatz von Kondensatoren mit hoher Kapazität kann die Größe der Starterbatterie reduziert werden. Somit ist es möglich, Gewicht, Bauraum und Blei im Fahrzeug einzusparen.
Bei der Platzierung der Bordnetzbatterie im Fahrzeug spielt der Spannungsverlust über die Leitungsverbindung zum Starter eine besonders auslegungsrelevante Rolle. Um zu vermeiden, dass sich extreme Spannungsabfälle ergeben, muss die elektrische Leitungsverbindung zum Starter niederohmig mit großem Querschnitt ausgelegt werden, was die Leitung schwer, unflexibel und gerade bei Kupfermaterial auch relativ teuer macht. Besondere Probleme, wie beispielsweise E MV-Strahlung ergeben sich daraus, wenn die Batterie aus Platzgründen beispielsweise im Kofferraum untergebracht werden muss und eine lange Leitung durchs Fahrzeug verläuft.
Bei Start- Stopp-Systemen führen die deutlich häufigeren Motorstarts zu einer besonders hohen Belastung der Batterie. Dies kann auslegungstechnisch nicht vollständig kompensiert werden, so dass bei solchen Systemen in der Regel eine Verkürzung der Batterielebensdauer zu erwarten ist.
Für die Rekuperation von elektrischer Energie, beispielsweise während Brems- und Schubphasen, sind heutige Blei-Säure-Batterien nur sehr eingeschränkt geeignet.
Um den bereits genannten Auswirkungen zumindest teilweise begegnen zu können, wird das Fahrzeugbordnetz zunehmend in Teilnetze segmentiert, die teilweise separate Speicher enthalten. Hier kommen beispielsweise Batterien (Zweibatterien oder Mehrbatterienbordnetze) zum Einsatz. Auch Leistungsspeicher, wie Doppelschichtkondensatoren, werden derzeit für Anwendungen im Fahrzeug untersucht und favorisiert. Sind im Bordnetz mehrere Speicher (Batterien und/oder Kondensatoren) vorhanden und sind diese Speicher über Relais oder Schalter verkoppelbar, besteht die Gefahr, dass besonders bei unterschiedlichem Ladezustand bzw. Spannungsniveau hohe Ausgleichsströme beim Zusammenschalten zwischen den Speichern fließen. Durch die niedrigen Innenwiderstände der Speicher können die Ausgleichsströme hier mehrere 100 A betragen. Dies beeinträchtigt die Speicher- und Schaltkontaktlebensdauer und die Stabilität des Bordnetzes.
Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) sind, insbesondere bei höheren Leistungen, verhältnismäßig teuer, benötigen zusätzlichen Bauraum und Kühlungskonzepte.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Koppeln mehrerer Teilnetze mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass beim Motorstart ein Teilnetz vom Hauptnetz entkoppelt werden kann. Damit lassen sich für den Fahrer erkennbare Spannungseinbrüche vermeiden, die gerade bei den häufigen Motorstarts eines Start- Stopp-Systems für den Fahrzeuglenker deutlich wahrnehmbar wären. Ein Bordnetzspeicher des einen Teilnetzes kann beispielsweise die übrigen Verbraucher versorgen, während das andere Teilnetz mit seinem separaten Speicher die Energie für den Motorstart liefert. Durch die Vorrichtung können hohe Ausgleichsströme und Stromgradienten zwischen Speichern mit unterschiedlichem Ladezustand vermieden bzw. begrenzt werden. Die Kopplungsvorrichtung ist sehr flexibel, so dass sie in unterschiedlichen Bordnetztopologien eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung ist einfach und somit auch kostengünstig aufgebaut und als eine Funktionseinheit ausgeführt, welche beispielsweise verteilte Schaltelemente im Bordnetz vermeidet. Sie kann beispielsweise als sog. Add-on-Lösung für bestehende Architekturen eingesetzt werden. Zwischen den Anschlussports der Vorrichtung bietet sie ein hohes Maß an flexiblen Schaltmöglichkeiten. Die Vorrichtung gibt auch die Möglichkeit, zusätzliche Speicher, die auch unterschiedlicher Art sein können, besonders leicht ins Fahrzeugbordnetz zu integrieren. So kann die Vorrichtung gleichermaßen für Batterien und Doppelschichtkondensatoren verwendet werden. Doppelschichtkondensatoren können durch die Vorrichtung gegen Überladung und damit auch vor Zerstörung geschützt werden.
Ein Leistungsspeicher ist durch eine Stromregelung und die Schaltmöglichkeiten vom übrigen Bordnetz trennbar. Somit kann dieser Speicher auch mit einer höheren Spannung oder einer variablen Spannung betrieben werden.
Eine höhere Spannung kann beispielsweise in einer Rekuperationsphase durch eine entsprechende Regelung des Bordnetzgenerators ermöglicht werden. Derartige Betriebsmodi eines Standardgenerators sind an sich bereits bekannt, lassen sich jedoch mit der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung gut umsetzen.
Durch diese Vorrichtung ist ein teurer und explizit ausgeführter DC/DC-Wandler überflüssig. Durch die Vorrichtung lassen sich Teilnetze flexibel koppeln und voneinander trennen. Dadurch ist es möglich, beispielsweise sicherheitsrelevante Verbraucher in einem Teilnetz im Falle eines Fehlers im Hauptbordnetz bevorzugt zu versorgen.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert.
Es zeigen:
Die Figur 1 die Vorrichtung zur Kopplung (Kopplungsvorrichtung) mehrerer Teilnetze in einer Bordnetztopologie mit Doppelschichtkondensator,
die Figur 2 die Kopplungsvorrichtung in einer Bordnetztopologie mit einem Teilnetz, bestehend aus Starter und Starterbatterie, die Figur 3 die Kopplungsvorrichtung in einer Bordnetztopologie mit Rekuperationsspeicher und einem Generator mit variabler Ausgangsspannung,
die Figur 4 den genaueren Aufbau der Vorrichtung zur Kopplung mehrerer Teilnetze,
die Figur 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Stromregelung bzw. Stromquelle der Kopplungsvorrichtung,
die Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Stromregelung bzw. Stromquelle der Kopplungsvorrichtung,
die Figur 7 ein drittes Ausführungsbeispiel der Stromregelung bzw. Stromquelle der Kopplungsvorrichtung,
die Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kopplungsvorrichtung, welches einen Stromtaktbetrieb ermöglicht,
die Figur 9 ein Prinzipschaltbild einer Mehrkanal-Stromregelung,
die Figur 10 ein erstes Ausführungsbeispiel der Mehrkanal- Stromregelung nach Figur 9 sowie
die Figur 11 ein zweites Ausführungsbeispiel der Mehrkanal- Stromregelung nach Figur 9.
Eine Kopplungsvorrichtung 10 zum Koppeln mehrerer Teilnetze weist drei Ausgangsports auf, nämlich Port A, Port B und Port C. Port A und Port B lassen sich über ein erstes Schaltmittel 12 elektrisch leitend miteinander verbinden. Parallel zum ersten Schaltmittel 12 liegen ein zweites Schaltmittel 14 und eine Stromquelle 16. Zwischen zweitem Schaltmittel 12 und der Stromquelle 16 ist Port C herausgeführt, welcher über einen ersten Speicher 22, beispielsweise ein Doppelschichtkondensator, auf Masse gelegt ist. Der in Richtung Port B zeigende Pfeil an der Stromquelle 16 soll andeuten, dass es sich um eine unidirektionale Stromquelle 16 handelt, die einen Stromfluss von Port B nach Port C erzeugen kann. An Port A ist ein Starter 20 angeschlossen, der wiederum gegen Masse geschaltet ist. An Port B liegen - jeweils parallel gegenüber Masse verschaltet - ein Generator 24, ein zweiter Speicher 26 wie beispielsweise eine Batterie sowie exemplarisch dargestellt ein Bordnetzverbraucher 28.
Die Bordnetztopologie gemäß Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 1 insbesondere darin, dass parallel zum Starter 20 ein zweiter Speicher 26' (Energie- bzw. Leistungsspeicher) vorgesehen ist. Die Stromquelle 16' der Kopplungsvorrichtung 10 ist nun bidirektional (angedeutet durch den Doppelpfeil) ausgeführt und befindet sich zwischen Port B und Port C. An Port C ist ein beispielhaft ein als Pufferbatterie ausgeführter Speicher 22' (Energie- bzw. Leistungsspeicher) angeschlossen, der andere Anschluss wiederum gegen Masse geschaltet. An Port A liegen nun nur noch der Generator 24 und der Bordnetzverbraucher 28, die parallel zueinander verschaltet sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 unterscheidet sich hinsichtlich der Bordnetztopologie darin, dass am Port A nun ein Generator 24 mit variabler Ausgangsspannung (beispielsweise zwischen 14 und 42 V) angeschlossen ist. An dem Potential von Port C liegen parallel gegenüber Masse verschaltet ein beispielhaft als Batterie ausgeführter Speicher 26 und ein Bordnetzverbraucher 28, die exemplarisch Bestandteile des Hauptbordnetzes bilden. Die Stromquelle 16 der Kopplungsvorrichtung 10 ist nun wieder zwischen Port B und Port C angeordnet. Auf dem Potential des Ports B liegen nun parallel gegenüber Masse ein exemplarisch als Doppelschichtkondensator ausgeführter Speicher 22 und der Starter 20. Der Speicher 22 dient als Rekuperationsspeicher. Alternativ könnte der Starter 20 auch im Hauptbordnetz angeordnet sein, wobei dann nur eine Rekuperation in den Speicher 22 (Leistungsspeicher) möglich wäre.
In Figur 4 ist nun die Kopplungsvorrichtung 10 näher gezeigt. Neben der zwischen Port B und Port C angeordneten Stromquelle 16 umfasst die Kopplungsvorrichtung 10 eine Schnittstelle 32, welche über einen Port D zum bidirektionalen Datenaustausch dienen kann. Außerdem umfasst die Kopplungsvorrichtung 10 eine Steuerung 30, welche erstes und zweites Schaltmittel 12, 14 sowie die Stromquelle 16 ansteuert. In der Steuerung 30 könnten beispielsweise bestimmte Grenzwerte hinterlegt sein wie beispielweise Stromgrenzwerte in Form von oberem Stromgrenzwert lo, unterem Stromgrenzwert Iu sowie höherem oberen Stromgrenzwert Ib oder Spannungsgrenzwerte Ug (beispielsweise zur Initialisierung eines Ladevorgangs oder Kopplungsvorgangs). Weiterhin könnte der Steuerung 30 auch das Potential am Port C sowie das Potential am Port B zugeführt sein, um abhängig hiervon erstes, zweites Schaltmittel 12, 14 bzw. die Stromquelle 16 in geeigneter Weise anzusteuern.
Gemäß Figur 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Stromquelle 16 dargestellt. So steuert eine Stromregelung 44, welche beispielsweise Bestandteil der Steuerung 30 sein könnte, abhängig vom Ausgangssignal eines Stromsensors 40 ein Schaltmittel 48 an. Das Schaltmittel 48 ist mit Port B sowie mit einer Induktivität 42 und der Kathode einer Diode 46 verbunden, deren Anode gegenüber Masse geschaltet ist und die als Freilaufdiode verwendet ist. Die Freilaufdiode könnte auch als aktives Bauteil realisiert werden. Der andere Anschluss der Induktivität 42 ist über den Stromsensor 40 mit Port C verbunden.
Das Ausführungsbeispiel der Stromquelle 16 gemäß Figur 6 unterscheidet sich von demjenigen nach Figur 5 durch die Möglichkeit einer bidirektionalen Stromführung zwischen Port B und Port C. Zusätzlich ist ein Schaltmittel 59 vorgesehen, welches zwischen Stromsensor 40 und Port C angeordnet ist und ebenfalls von der Stromregelung 44 angesteuert wird. Zwischen dem anderen Anschluss der Induktivität 42 und dem Stromsensor 40 ist nun eine weitere Diode 57 gegenüber Masse geschaltet, welche als weitere Freilaufdiode zur Erzeugung eines gegengerichteten Stromflusses dient.
Das Ausführungsbeispiel der Stromquelle 16 " nach Figur 7 ergänzt das der Figur 6 durch einen weiteren Stromsensor 61, der zwischen dem Schaltmittel 48 und dem gemeinsamen Anschlusspunkt der Induktivität 62 und Diode 46 angeordnet ist. Der Stromsensor 61 liefert ein Maß für den erfassten Strom an die Stromregelung 44. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 unterscheidet sich von demjenigen nach Figur 1 zum einen in der getakteten Ansteuerung der Schaltmittel 12, 14. Mit den Schaltmitteln 12, 14 ist nun ein Stromtaktbetrieb möglich. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass der an Port A angeschlossene Starter 20 mit konstanter bzw. optimaler Stromhöhe über Schaltmittel 12 und/oder Schaltmittel 14 gespeist werden kann. Dadurch ist beispielsweise eine freie Stromaufteilung zwischen den beiden Speichern 22, 26 möglich. Durch die Stromtaktung kann die Starterstromstärke optimal gesteuert werden, um die Lebensdauer des Starters 20 zu verlängern. Es kann somit vermieden werden, dass der Starterstrom im Einschaltmoment extrem hohe Spitzenwerte erreicht. Hohe Impulsströme belasten nämlich die Startermechanik und wirken sich bei heutigen Startanlagen negativ auf die Lebensdauer aus. An Port A ist eine Freilaufeinrichtung 72 integriert, hier beispielhaft als Freilaufdiode ausgeführt. Besonderes Kennzeichen des Ausführungsbeispiels nach Figur 8 ist, dass die Starterinduktivität für die Stromtaktung mit verwendet wird.
Gemäß Figur 9 besteht eine vorteilhafte Variante der Stromregelung in einer mehrkanaligen Ausführung. Dabei werden mindestens ein erster Stromkanal 76 und ein zweiter Stromkanal 78, parallel zueinander verschaltet, zwischen Port B und Port C verwendet. In den Figuren 10 und 11 sind zwei beispielhafte Umsetzungen der mehrkanaligen Ausführung gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 besteht der erste Stromkanal 76 aus seriell verschaltetem Schaltmittel 48, Induktivität 42 und Stromsensor 40, wobei zwischen Schaltmittel 48 und Induktivität 42 die Diode 46 gegen Masse geschaltet ist und als Freilaufmittel wirkt. Der zweite Stromkanal 78 ist entsprechend aufgebaut Schaltmittel 88, Diode 86, Induktivität 82 und Stromsensor 80. Im Normalbetrieb werden die Stromkanäle 76, 78 überlappend geschaltet, d.h. während beispielsweise der erste Stromkanal 76 noch leitet und auf einen Maximalwert von beispielsweise 20A ansteigt, wird bereits der zweite Stromkanal 78 zugeschaltet. Die Steuerung der Schaltmittel 48, 88 wird dabei so realisiert, dass sich für Port C gerade ein konstanter bzw. quasi konstanter Stromfluss ergibt von beispielsweise 20A. Die Ausführungsform kann auch so ausgelegt werden, dass in einem Boostbetrieb beide Stromkanäle 76, 78 gleichzeitig den jeweiligen Maximalstrom liefern und sich dadurch an Port C der doppelte Strom einstellt. Dadurch könnte ein an Port C angeschlossener Speicher 22 in der halben Zeit geladen werden. Durch die Verwendung mehrerer Kanäle reduziert sich die Rückwirkung auf das Basisbordnetz, beispielsweise die Welligkeit. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11 unterscheidet sich von demjenigen nach Figur 10 lediglich darin, dass nur ein einziger Stromsensor 40 vorgesehen ist, der den durch beide Stromkanäle 76, 78 fließenden Strom erfasst. Die prinzipielle Funktionsweise unterscheidet sich jedoch nicht von derjenigen nach Figur 10.
Sind im Bordnetz mehrere Speicher 22, 26 vorhanden und sind diese über Relais oder Schaltmittel 12 gekoppelt, besteht die Gefahr, dass besonders bei unterschiedlichem Ladezustand bzw. Spannungsniveau der Speicher 22, 26 hohe Ausgleichsströme beim Zusammenschalten der die Speicher 22, 26 enthaltenden Teilnetze fließen.
Durch die niedrigen Innenwiderstände der Speicher 22, 26 können die Ausgleichsströme hier mehrere 100 A betragen. Damit die Speicher- und Schaltkontaktlebensdauer und die Stabilität des Bordnetzes nicht beeinträchtigt wird, ist die Kopplungsvorrichtung 10 vorgesehen. Das erste Schaltmittel 12 entkoppelt das Teilnetz A (das über Port A mit der Kopplungsvorrichtung 10 verbunden ist) von Teilnetz B (das über Port B mit der Kopplungsvorrichtung 10 verbunden ist).
Nachfolgend werden unterschiedliche Betriebszustände anhand der Bordnetztopologie gemäß Figur 1 exemplarisch erläutert. Im Normalbetrieb können Spannungseinbrüche während des Motorstarts bei Teilnetz B verhindert werden, indem beim Motorstart das erste Schaltmittel 12 geöffnet ist. So wird der Starter 20 über das geschlossene zweite Schaltmittel 14 lediglich von dem ersten Speicher 22 gespeist. Der Starter 20 belastet somit während des Startvorgangs nicht Teilnetz B. Der erste Speicher 22 ist beispielsweise als Doppelschichtkondensator (DLC) ausgeführt. Insbesondere bei häufigen Motorstarts eines Start- Stopp-Systems können dadurch für den Fahrer erkennbare Spannungseinbrüche vermieden werden. So versorgt der zweite Speicher 26, hier eine konventionelle Batterie, die Bordnetzverbraucher 28. Im Fahrbetrieb übernimmt diese Aufgabe der Generator 24. Bei den Betriebsarten der Kopplungsvorrichtung 10 lässt sich prinzipiell gesteuerter und nicht gesteuerter Betrieb unterscheiden. Im gesteuerten Betriebsmodus werden die Zustände der Schaltmittel 12, 14 und der Stromregelung 44 von einem externen Steuergerät im Fahrzeug vorgegeben bzw. gesteuert. Im nicht gesteuerten Betrieb entscheidet die Kopplungsvorrichtung 10 mit Hilfe der internen Steuerung 30 selbsttätig aufgrund der Port-Zustände (über Port-Spannungen und Port- Ströme) über die geeigneten Kopplungszustände zwischen den Ports. So werden beispielsweise im Koppelbetrieb Port B und Port C über die Schaltmittel 12, 14 erst verbunden, wenn die Differenz der Spannungsniveaus an Port B und Port C unter einem bestimmten Spannungsgrenzwert Ug liegt. Beim Überschreiten von Ug wird mindestens eines der Schaltmittel 12, 14 geöffnet und der Speicher 22 über die Stromquelle 16 geladen.
Wie bereits in Verbindung mit Figur 8 beschrieben steht als weiterer Betriebsmodus die Stromtaktung der Schaltmittel 12, 14 zur Verfügung. Die Schaltmittel 12, 14 sind hierbei so gestaltet, dass mit ihnen ein Stromtaktbetrieb möglich ist zur optimalen Stromhöhe für beispielsweise den Starter 20 oder eine freie Stromaufteilung zwischen den Speichern 22, 26. Auch unerwünschte Stromspitzen können auf diese Weise vermieden werden.
Im Rahmen einer Notstartfunktion - bei für das Starten nicht ausreichendem Energieinhalt des ersten Speichers 22 - wird das erste Schaltmittel 12 geschlossen. Der Starter 20 wird nun über den zweiten Speicher 26 gespeist, während das zweite Schaltmittel 14 geöffnet ist.
In einem weiteren Betriebszustand (Ladebetrieb) soll der erste Speicher 22, der entladen ist, über die Stromquelle 16 geladen werden. Hierbei wird das erste Schaltmittel 12 zuerst geöffnet. Dann wird der erste Speicher 22 über die Stromquelle 16, wie später beschrieben, geladen. Sobald sich die Spannungsniveaus zwischen Port A und Port B angeglichen haben, könnte das erste Schaltmittel 12 geschlossen werden, da dann kein Ausgleichsstrom fließt. Hierbei kann der Ladezustand des Speichers 22, vorzugsweise ein Doppelschichtkondensator (DLC) mittels einer Spannungsmessung bestimmt und überwacht werden. Der Speicher 22, der als Leistungsspeicher dient, ist vom Speicherinhalt so auszulegen, dass er die Energie liefert für mindestens einen Motorstart, vorteilhafter Weise auch mehrere Motorstarts. Weiterhin kann eine untere Spannungsgrenze des Speichers 22 für die Startvorgang- Freigabe abhängig von der Außentemperatur und/oder der Motortemperatur gewählt werden.
Mit der Bordnetztopologie nach Figur 1 kann auch eine Startunterstützung ermöglicht werden. Der erste Spitzenstrom wird aus dem ersten Speicher 22, vorzugsweise aus dem als Leistungsspeicher fungierenden DLC, entnommen. Danach wird über das Schaltmittel 12 der zweite Speicher 26 zugeschaltet. Bei dieser Variante könnte der erste Speicher 22 kleiner dimensioniert werden.
Im Lade- bzw. Schnellladebetrieb muss mindestens eines der Schaltmittel 12, 14 geöffnet sein.
In einem weiteren Betriebszustand (Schnellladung) wird der erste Speicher 22 mit einem relativ großen Strom geladen. Es wird eine sogenannte Boostfunktion realisiert. Dies erfolgt dadurch, dass die Steuerung 30 bzw. Stromregelung 44 einen gegenüber dem normalen Ladebetrieb höheren Stromgrenzwert Ib vorgibt, der beispielsweise bei 60 A liegt. Insbesondere im Stopp-and-Go-Verkehr ist ein schnelles Aufladen des ersten Speichers 22 erforderlich, da über diesen beim Start- Stopp- Betrieb das Starten des Motors, nämlich das Speisen des Starters 20 vorgenommen wird.
Die oben kurz umrissenen Betriebszustände werden mit Hilfe der Steuerung 30 realisiert. Diese Steuerung 30 steuert abhängig von verschiedenen Eingangsgrößen, wie beispielsweise das Potential an Ports B und C (daraus ableitbar auch das Potential an Port A), erstes und zweites Schaltmittel 12, 14 sowie die Stromquelle 16 an. Weiterhin tauscht die Steuerung 30 Daten aus mittels Schnittstelle 32 über Port D, das der Kommunikation dient. So deaktiviert die Steuerung 30 die Stromquelle 16 bei Erreichen eines bestimmten Spannungswerts am Port C oder bei Erreichen einer vorgegebenen Spannungsdifferenz zwischen Port B und Port C. Zudem werden Port B und Port C über die Schaltmittel 12, 14 nur dann verbunden, wenn die Spannungsdifferenz zwischen Port B und Port C einen bestimmten Wert unterschritten hat. Weiterhin werden die Schaltmittel 12, 14 so angesteuert, dass bei hohen Leistungsanforderungen in einem Teilnetz A, B, C sich diese nicht negativ auf die anderen angeschlossenen Teilnetze auswirken.
Nachfolgend wird das Ausführungsbeispiel der Stromquelle 16 gemäß Figur 5 beschrieben, wie diese in die Bordnetztopologie nach Figur 1 integriert wurde. Hierbei handelt es sich um eine unidirektionale Stromquelle 16, die einen Stromfluss von Port B nach Port C zulässt. Abhängig von bestimmten Randgrößen soll Energie von Port B nach Port C eingespeist werden, um den an Port C angeschlossenen Speicher 22 aufzuladen. Die Stromregelung 44 steuert hierzu den Schalter 48 im Sinne eines Schließens an, so dass von Port B über den geschlossenen Schalter 48 ein Strom über die Induktivität 42 zu Port C fließt. Dieser Strom wird durch den Stromsensor 40 erfasst und der Stromregelung 44 zugeführt. Die Stromregelung 44 vergleicht den erfassten Strom mit einem oberen Stromgrenzwert lo, der beispielsweise bei 22 A liegt. Wird dieser obere Stromgrenzwert Io erreicht bzw. überschritten, öffnet die Stromregelung 44 den Schalter 48. Die als Stromspeicher wirkende Induktivität 42 treibt den Strom jedoch noch weiter. Hierzu legt die als Freilaufdiode wirkende Diode 46 das Massepotential an den einen Anschluss der Induktivität 42, da sie nun in Durchflussrichtung betrieben wird. So fließt weiter ein Strom von der Induktivität 42 zu Port C. Die Stromstärke klingt im Rahmen einer e- Funktion ab. Fällt der vom Stromsensor 40 erfasste Strom unter den unteren Stromgrenzwert Iu, der beispielsweise bei 18 A liegt, wird der Schalter 48 wieder geschlossen. Die Induktivität 42 hat weiterhin den Vorteil, dass sie den Stromanstieg begrenzt. Sollte der Strom wieder den oberen Stromgrenzwert Io erreichen, öffnet die Stromregelung 44 wieder das Schaltmittel 48. Die Stromquelle 16 liefert somit einen unidirektionalen Strom, der zwischen dem oberen Stromgrenzwert Io und dem unteren Stromgrenzwert Iu liegt. Die Stromquelle 16 arbeitet somit in Form einer Zweipunktregelung, um einen näherungsweise konstanten Strom zur Verfügung zu stellen.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist demgegenüber durch eine Stromquelle 16' erweitert, die eine bidirektionale Stromflussrichtung zulässt. Die zugehörige Bordnetztopologie ist beispielsweise in Figur 2 gezeigt. Wie oben bereits beschrieben, ist der Strom in der Lage, vom Port B zu Port C zu fließen. Hierzu ist der Schalter 59 geschlossen, der Schalter 48 wird angesteuert wie bereits in Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben. Die Stromregelung 44 stellt wiederum sicher, dass der Strom innerhalb bestimmter Grenzwerte lo, Iu verbleibt. Durch das Vorsehen des Schalters 59 und der weiteren Diode 57 kann nun auch ein Stromfluss von Port C zu Port B erreicht werden. Hierzu sind anfangs beide Schalter 48, 59 zu schließen. Steigt nun der vom Stromsensor 40 sensierte Strom über den oberen Stromgrenzwert lo, öffnet die Stromregelung 44 den Schalter 59. Nun fungiert die zweite Diode 57 als Freilaufdiode und bringt den einen Anschluss der Induktivität 42 auf Massepotential. Die Induktivität 42 treibt den Strom weiter in Richtung Port B. Erreicht der Strom wieder die untere Stromgrenze Iu, was beispielsweise über das bekannte PTl-Verhalten der Induktivität 42 abgeschätzt werden kann, so wird wieder der Schalter 59 geschlossen. Im zuletzt geschilderten Ausführungsbeispiel kann der Stromsensor 40 keinen Stromfluss mehr erfassen, da er hinter dem Kontaktpunkt der zweiten Diode 57 mit der Induktivität 42 liegt. Der Schalter 59 wird nach einem festen Zeitintervall, das abhängig vom PTl-Verhalten der Induktivität und entsprechendem Absinken des Stroms gewählt ist, wieder geschlossen.
Um eine zuverlässigere Stromerfassung zu gewährleisten, ist nun gemäß Figur 7 ein weiterer Stromsensor 61 vorgesehen. Dadurch wird nun erreicht, dass der in Richtung Port B fließende Strom sicher erfasst wird. Fällt der von dem Stromsensor 61 erfasste Strom unter den unteren Stromgrenzwert Iu, so schließt die Stromregelung 44 wieder den Schalter 59. Ist ein Stromfluss in Richtung Port C gewünscht, so verfährt die Stromregelung 44 wie bereits in Verbindung mit Figur 5 beschrieben.
Über die Steuerung 30 können beispielsweise lo, Iu sowie Ib beeinflusst werden. Soll die bereits oben kurz erwähnte Boostfunktion (Schnellladebetrieb) realisiert werden, so gibt die Steuerung 30 anstelle Io einen höheren oberen Stromgrenzwert Ib vor. Dieser könnte beispielsweise bei 60 A liegen. D. h. bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 würde der Schalter 48 erst dann geöffnet werden, wenn ein Stromfluss 60 A erreicht hat. Dadurch lässt sich eine schnellere Ladung des Speichers 22 erreichen, der an Port C angeschlossen ist. Die Stromquelle 16 ist als Stromregelung in Form einer Zweipunktregelung mit Hysterese ausgeführt.
Als Schalter 48, 59 könnten zumindest teilweise auch Halbleiterschalter mit integrierter Strommessung verwendet werden. Dann könnte auf einen separaten Stromsensor 40 bzw. 61 verzichtet werden. Die Schaltmittel 12, 14 sind vorzugsweise startstrom- bzw. hochstromfähig ausgeführt.
Weiterhin könnte in der Steuerung 30 eine von der Außentemperatur abhängige untere Spannungsgrenze vorgesehen werden, ab der über Port C der Speicher 22 wieder aufgeladen werden soll. In der Kopplungsvorrichtung 10 oder an anderer Stelle können geeignete Mittel für die Zustandserkennung einer oder mehrer Batterien als mögliche Speicher 26 vorgesehen sein. Damit könnte die Steuerung 30 die Schaltmittel 12, 14 bzw. die Schalter 48, 59 abhängig beispielsweise vom Ladezustand der Batterie(n) 26 ansteuern. Der Ladezustand des Speichers 22, beispielsweise als DLC ausgeführt, lässt sich beispielsweise über eine Spannungsmessung am Speicher 22 ermitteln.
Die Kopplungsvorrichtung 10 lässt sich in unterschiedlichen Teilnetztopologien einsetzen. Sie eignet sich auch insbesondere für ein Bordnetz mit Rekuperationsmöglichkeit. Diese Topologie ist in Figur 3 angedeutet. So fungiert der Doppelschichtkondensator 22 als Rekuperationsspeicher, indem nun ein Generator 20 mit variabler Ausgangsspannung vorgesehen ist. Somit wird über Port B bei einer geeigneten Ansteuerung der Kopplungsvorrichtung 10 der Rekuperationsspeicher 22 geladen. An diesem Teilnetz sind unter Umständen auch weitere Hochleistungsverbraucher wie beispielsweise der Starter 20 angeschlossen. Am Port C könnte das Hauptbordnetz, bestehend aus der Bordnetzbatterie als Speicher 26 und weiteren Bordnetzverbrauchern 28 angeschlossen sein. Hierbei werden die Schaltmittel 12, 14 so geschaltet, dass der Generator 20 entweder beispielsweise 14 Volt in das Hauptbordnetz über Port C einspeist, oder seine Ausgangsleistung mit einer variablen Spannung in den als Leistungsspeicher dienenden Speicher 22 lädt (z. B. zur Rekuperation). Während der Ladung des Leistungsspeichers 22 kann eine bestimmte Leistung über die Stromquelle 16 in das über Port C angebundene Hauptbordnetz eingespeist werden. Über Port D, dem Kommunikationsport, kann bei einem Start- Stopp-System oder anderen Fahrzeugsystemen (beispielsweise zur Rekuperation) zur Abstimmung der augenblicklichen Betriebsweise eine Datenverbindung aufgenommen werden.
Die Kopplungsvorrichtung 10 ist als universelles Modul zur Kopplung mehrerer elektrischer Teilnetze im Kraftfahrzeug vorgesehen. Es erhöht den Komfortgewinn durch eine vollelektrische Fahrzeugfunktionalität bei Motorstarts und während Motor- Stopp- Phasen. Weiterhin begrenzt sie die Ausgleichsströme beim Koppeln von elektrischen Speichern 22, 26. Zudem kann sie einfach ins konventionelle Fahrzeugbordnetz integriert werden. Sie eignet sich zudem auch für neue Bordnetzkonzepte, da mindestens zwei Bordnetze gekoppelt werden können, insbesondere drei. Auf teure DC/DC-Wandler kann verzichtet werden. Durch die Verwendung einer Induktivität 42 als Bestandteil der Stromquelle 16 können auch die Stromgradienten begrenzt werden. Durch eine intelligente Betriebsstrategie können hohe Schaltströme gezielt verhindert werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Kopplung mindestens zweier Teilnetze, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, umfassend zumindest ein Kopplungsmittel (12, 14), über das die mindestens zwei Teilnetze verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin zumindest eine Stromquelle (16) umfasst, die zwischen den mindestens zwei Teilnetzen anordenbar ist zur Speisung zumindest eines der Teilnetze.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle Mittel (44, 48, 59) zum Erzeugen eines nahezu konstanten Stroms umfasst, insbesondere zumindest einen Schalter (48, 59) und/oder eine Stromregelung (44).
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (16) zumindest ein Mittel zur Stromanstiegsbegrenzung (42) umfasst, insbesondere eine Induktivität (42).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (16) zumindest Stromspeichermittel (42) umfasst, insbesondere eine Induktivität (42).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (16) zumindest ein Freilaufmittel (46, 57) umfasst, insbesondere eine Diode (46, 57) oder ein aktives Bauelement, wobei das Freilaufmittel (46, 57) zur Aufrechterhaltung eines Stromflusses dient bei nicht gekoppelten Teilnetzen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (16) zumindest einen Stromsensor (40, 61) umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (16) einen bidirektionalen Stromfluss ermöglicht zwischen den zumindest zwei Teilnetzen ermöglicht.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Stromregelung (44) um eine Zwei- Punkt- Regelung handelt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung (44) zumindest zwei parallel zueinander verschaltete Stromkanäle (76, 78) umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stromkanäle (76, 78) Schalter (48, 88) und/oder Induktivität (42, 82) und/oder Stromsensor (40, 80) und/oder Freilaufmittel (46, 86) umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung (44) den Strom mit zumindest einem Stromgrenzwert (Iu, lo, Ib) vergleicht.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Stromgrenzwert (lo, Ib) veränderbar gewählt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsvorrichtung (10) zumindest eine Steuerung (30) umfasst, die das Kopplungsmittel (12, 14) und/oder die Stromquelle (16) ansteuert.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel (12, 14) getaktet angesteuert sind.
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