WO2013144196A1 - Fahrzeug mit einer bordnetzarchitektur und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Fahrzeug mit einer bordnetzarchitektur und verfahren zum betreiben derselben Download PDF

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WO2013144196A1 PCT/EP2013/056504 EP2013056504W WO2013144196A1 WO 2013144196 A1 WO2013144196 A1 WO 2013144196A1 EP 2013056504 W EP2013056504 W EP 2013056504W WO 2013144196 A1 WO2013144196 A1 WO 2013144196A1
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Hartmut PRÖBSTLE
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F02N11/0866—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery comprising several power sources, e.g. battery and capacitor or two batteries
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    • Y10S903/903—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors having energy storing means, e.g. battery, capacitor
    • Y10S903/904—Component specially adapted for hev
    • Y10S903/907—Electricity storage, e.g. battery, capacitor

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with a hybridized drive train and with a
  • An electric on-board vehicle is a complex electrical system.
  • voltage-sensitive consumer is supported by a DC voltage divider and a Sperretemeni.
  • the document DE 102 48658 A1 describes the voltage-related support of
  • the bodice power supply system comprises a storage battery and a first switch between the backup storage and the further low-voltage on-board network
  • the vehicle has a bidirectional DC voltage divider comprising a first interface and a second interface, wherein the first interface is connected to the StQtz Grande and the second interface is connected to the low-voltage vehicle electrical system.
  • a second switch of the low-voltage board network causes the second interface of the
  • Gieichnapssstellers and the energy storage of the other low-voltage electrical board are electrically separable.
  • the starter of the internal combustion engine of the hybridized drive train is located between the energy store and the second interface of the Gieichwoodstellers.
  • the internal combustion engine can be started during the driving operation of the vehicle (Zustart), so that traction energy can also be provided by internal combustion engine power.
  • the first switch and the second switch are closed, before a Zustart the second switch is opened, after the Zustari the second switch is closed, during a wake of the vehicle, the support store is partially discharged and then the first switch is opened, During a standstill operation of the vehicle, the first switch is opened, and during a forward run of the vehicle, the backup memory is charged via the DC divider and thereafter the first switch
  • the support memory on the vehicle If the vehicle is transferred in a preliminary phase of the idle state in the driving mode - also referred to as waking up the vehicle -, the support memory on the
  • Interface is connected to the extended wiring system.
  • the low-voltage on-board electrical system comprises a second switch, and by the second switch, the energy storage of the other low-voltage electrical system is electrically separable.
  • the starter is connected in parallel to the energy store.
  • Support memory and the auxiliary memory partially discharged and then the first switch open, during a standstill operation of the vehicle, the first switch is opened during a flow of the vehicle, the support memory is charged via the DC chopper and then the first switch is closed and during the flow of additional memory over loaded the DC voltage divider.
  • the support memory and the auxiliary memory are discharged and the first switch is then opened.
  • the support memory there is no direct electrical connection between the support memory during the idle phase of the vehicle and the rest of the low-voltage vehicle electrical system. This is advantageous for about performance-optimized Stützspeichem. If the vehicle is transferred in a Vortaufphase from hibernation to driving - also referred to as waking up the vehicle -, the support memory on the
  • Hybrid vehicles or vehicles with an engine stop-start function It is therefore proposed to architecturally extend the standard vehicle electrical system by a voltage level to 48 volts for high-power consumers and to provide the 12-volt vehicle electrical system with a dynamic backup memory and two switches.
  • the total weight of the energy storage used can be minimized, if more dynamic
  • Extra memory for example, a supercapacitor is used and a lead acid battery is smaller dimensioned.
  • a supercapacitor is used and a lead acid battery is smaller dimensioned.
  • Fig. 1 vehicle with a modular architecture
  • Fig. 2 vehicle with a vehicle electrical system architecture and an electrical system extension
  • Fig. 1 shows a vehicle with a low-voltage electrical system (1).
  • a high-voltage electrical system (12) via a high-voltage generator (11) is connected.
  • the high-voltage generator is designed as a bidirectional DC voltage divider.
  • the high-voltage vehicle electrical system comprises an electrified powertrain of the vehicle and determines the type of vehicle either as a hybrid vehicle (HEV, hybrid electric vehicle), as a plug-in hybrid vehicle (PHEV, ptugin hybrid electric vehicle) or as an electric vehicle with a combustion engine as a range extender , These types of vehicles are known to the person skilled in the art.
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • ptugin hybrid electric vehicle an electric vehicle with a combustion engine as a range extender
  • the low-voltage on-board electrical system has a plurality of electrical consumers (2) and a preferably energy-optimized electrical energy store (4), which may be formed as a secondary lithium-ion battery or as a lead-acid battery.
  • the low-voltage vehicle electrical system has a support memory (3), which is preferably designed as a power-optimized electrical energy storage, for example as a supercapacitor stack with a nominal voltage position at 12 volts
  • the electrical energy storage and the backup memory each have a higher electrical potential, which is electrically connected to the potential of the low-voltage cord or bar is connectable and a lower electrical potential, which is in electrical contact with a mass of the vehicle.
  • the low-voltage electrical system also has a first switch (6), the upper one
  • Potential of the backup memory connects to the potential of the low-voltage on-board electrical system and through which the backup memory of the bodice power supply electrical system is separable.
  • the vehicle according to Fig. 1 or 2 also has a generator (10, G) through which the low-voltage cord with electrical power via the electrical output of the generator can be fed and through the mechanical input of the generator mechanical power of an internal combustion engine (9, ICE) is receivable.
  • a generator (10, G) through which the low-voltage cord with electrical power via the electrical output of the generator can be fed and through the mechanical input of the generator mechanical power of an internal combustion engine (9, ICE) is receivable.
  • Internal combustion engine can be started by a starter (5, S), which is electrically connected to the low-voltage on-board electrical system.
  • the vehicle in FIG. 1 also has a DC voltage controller (8) which comprises a first electrical interface and comprises a second electrical interface.
  • the DC voltage controller (8) is bidirectional.
  • the first electrical interface is electrically connected directly to the higher potential of the backup memory.
  • the second electrical interface is with the potential of the first electrical interface
  • the low-voltage on-board electrical system also has a second switch (7).
  • the electrical load and the higher potential of the backup memory with the higher potential of the energy storage are electrically connected.
  • the second switch in the open state causes an electrical decoupling of the energy storage of the low-voltage onboard power supply.
  • This electrical decoupling from the low-voltage vehicle electrical system also applies to the second electrical interface of the GieichwoodssteUers (8) and for the starter when the second switch is open.
  • FIG. 1 When the second switch is closed in Fig. 1, there is an electrical connection between the energy storage, and between the starter and the second interface of DC voltage levelers.
  • the first interface of the Gleichspanungsstellers is electrically connected to the support memory and, if the first switch (6) is closed, with the consumers.
  • a vehicle according to Fig. 1 enables an operating strategy of the first switch and the second switch in a particularly advantageous manner:
  • the first switch and the second switch are closed. If during driving a high electrical power consumption of a consumer (2) occurs or the internal combustion engine has to be started, the electrical load from the energy storage and the backup memory is supplied with electrical power.
  • the first switch remains closed and the second switch is opened during the start. After the second stop, the second switch is closed.
  • the consumers (2) can be supplied with electrical power from the backup storage during the start and are supported by the voltage situation of the higher potential of the backup storage.
  • a proper state of the internal combustion engine which extends on the time scale of less than 1 second, breaks the voltage at the energy storage (4), since the starter for starting the engine takes energy from the power storage. In particular, it comes at the beginning of a Zustartvorgangs to a
  • the support-optimized backup storage is at least partially discharged, for example by the trailer of the vehicle or by charging the energy storage device via the
  • the energy store (4) e.g. designed as a lead-acid battery, while a lifetime of the vehicle have the highest possible state of charge, in order to extend its life also. This supports the operating strategy of the first 245 switch and the second switch.
  • the vehicle is taken from the idle state in driving mode of FIG. 1, the support memory via the.
  • the forward or Aulwachen of the vehicle is taken from the idle state in driving mode of FIG. 1, the support memory via the.
  • the summons can also be made via the controller (11) from the Hoc voftbord network.
  • FIG. 2 Another embodiment is shown in Fig. 2 starting from Fig. 1.
  • a vehicle according to FIG. 2 has high-power consumers (13). Examples are, for example, an electric roll stabilization or an electric active steering system. High-performance consumers are characterized by the fact that a supply of these consumers by the
  • DC voltage controller (8 ') used. This DC voltage controller is bidirectional. A first interface is directly connected to the higher potential of the backup memory electrically connected. A second interface of the steeper (8 ') is electrically connected to the electrical system extension and is thus based on the electrical potential of the extended electrical system,
  • an additional memory (14) shaded parallel which is power-optimized.
  • this may be one
  • a vehicle according to Fig. 2 allows an operating strategy of the first switch and the second switch in a particularly advantageous manner: In normal driving operation, the first switch and the second switch are closed. If during driving a high electrical power requirement of a
  • High-power consumer in the extended vehicle electrical system (2) occurs (for example, a sudden
  • the voltage in the extended electrical system is supported by the additional memory (14). Via the actuator (8 ') there is also a transfer of electrical power from the low-voltage vehicle electrical system. In the further Fahrbeirieb continues to load the additional memory on the stepladder (8 ') from the N iedervoltbord network.
  • the second switch (7) is opened, the first switch (6) remains closed.
  • Electric consumers (2) are supplied by the energy store with electrical power and in their voltage of the
  • the power-optimized auxiliary memory and the power-optimized Siweil arrived are at least partially discharged, for example by the wake of the vehicle under energy consumption of the consumer (2) and / or the high-performance consumer (13) or by charge of
  • the auxiliary memory is e.g. discharged from 48 volts to 38 volts, the
  • the energy store (4) e.g. As a lead-acid battery running during a lifetime of the vehicle have the highest possible state of charge, to extend its life also. This supports the operating strategy of the first switch and the second switch.
  • the support memory is on the
  • a Zustart means the opening of the second switch, a limitation of the starting voltage dip on the energy storage.
  • the use of the power optimized memory in FIG. 1 / FIG. 2 also allows a reduction in the size of the energy-optimized energy storage compared to a conventional vehicle on-board network with only one energy storage (4). Since this example is designed as a lead-acid battery with typically high weight, this can mean a weight saving of the vehicle despite the integration of a / energy-optimized energy storage / n.
  • the power density of supercapacitors for example, is so high that the weight of the supercapacitor (s) is reduced by weight savings the low energy-related density of the lead-acid battery is overcompensated.
  • the energy storage energy-optimized and the support memory and the additional memory are each designed optimized performance.

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Abstract

Fahrzeug mit einem hybridisierten Antriebsstrang und mit einem Niedervoltbordnetz (1), das elektrische Verbraucher (2), einen Energiespeicher (4) und einen Starter (5) für einen Verbrennungsmotor umfasst, und bei dem das Niedervoltbordnetz einen Stötzspeicher (3) und einen ersten Schalter (6) zwischen dem Stützspeicher und dem weiteren Niedervoltbordnetz umfasst.

Description

i
Fahrzeug mit einer BonhwtzarchKvktur und Verfahren zum Betreiben derselben
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem hybridisierten Antriebsstrang und mit einem
Niedervoitbordnetz, welches elektrische Verbraucher, einen Energiespeicher und einen Starter für einen Verbrennungsmotor umfasst.
Ein elektrisches Bordneiz eines Fahrzeugs ist ein komplexes elektrisches System. In der Schrift DE 10 2007 017 187 A1 wird beispielsweise ein Bordnetz mit spannungssensiblen
Verbrauchern eines Fahrzeugs mit Motor-Stari-Stop-Funktion beschrieben. Der
spannungssensible Verbraucher wird über einen Gleichspannungssteiler und ein Sperretemeni gestützt.
Die Schrift DE 102 48658 A1 beschreibt die spannungsbezogene Stützung von
lelstungssensibien Verbrauchern und Hochleisiungsverbrauchem durch Parallelschaltung eines Supercapkondensators oder eines Supercap-Modute.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem hybridisierten
Antriebsstrang und mit einem Niedervoitbordnetz, welches elektrische Verbraucher, einen Energiespeicher und einen Starter für einen Verbrennungsmotor umfasst, zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
AusfOhrungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäß umfasst das Miedervoltbordnetz einen StQtzspeicher und einen ersten Schalter zwischen dem Stützspeicher und dem weiteren Niedervoitbordnetz,
Zusätzlich verfügt das Fahrzeug über einen bidirektionalen Gleichspannungssteiler, der eine erste Schnittstelle und eine zweite Schnittstelle umfasst, wobei die erste Schnittstelle mit dem StQtzspeicher verbunden ist und die zweite Schnittstelle mit dem Niedervoitbordnetz verbunden ist. Ein zweiter Schalter des Niedervoltbord netzes bewirkt, dass die zweite Schnittstelle des
Gieichspannungsstellers und der Energiespeicher von dem weiteren Niedervoltbord netz elektrisch trennbar sind.
Der Starter des Verbrennungsmotors des hybridisierten Antriebsstranges ist zwischen dem Energiespeicher und der zweiten Schnittstelle des Gieichspannungsstellers befindlich. Durch den Starter kann der Verbrennungsmotor während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs zugestartet werden (Zustart), so dass Traktionsenergie auch aus verbrennungsmotorischer Kraft bereitstellbar ist.
Während des Fährbetriebs des Fahrzeugs werden der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen, vor einem Zustart wird der zweite Schalter geöffnet, nach dem Zustari wird der zweite Schalter geschlossen, während eines Nachlaufs des Fahrzeugs wird der Stutzspeicher teilweise entladen und danach der erste Schalter geöffnet, während eines Stillstandsbetriebs des Fahrzeugs wird der erste Schalter geöffnet, und während eines Vorlaufs des Fahrzeugs der Stützspeicher über den Gleichstromsteiler geladen wird und danach der erste Schalter
geschlossen.
Dies bedeutet, dass bei einem Zustart des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb die Verbraucher vom elektrischen Potential des Energiespeichers entkoppelt sind und von dem Stützspeicher gestützt werden.
Wenn das Fahrzeug in einer Nachlaufphase vom Fahrbetrieb in einen Ruhezustand überführt wird - auch als Einschlafen des Fahrzeugs bezeichnet -, wird der Stützspeicher entladen und der erste Schalter geöffnet. Somit besteht zwischen dem Stützspeicher während der fahrbetriebsiosen Phase des Fahrzeugs und dem restlichen Niedervoltbordnetz keine direkte elektrische Verbindung. Dies ist etwa bei leistungsoptimierten Stützspeichem vorteilhaft
Wenn das Fahrzeug in einer Vorlaufphase vom Ruhezustand in den Fahrbetrieb überführt wird - auch als Aufwachen des Fahrzeugs bezeichnet -, wird der Stützspeicher über den
Gleichspannungseteller vorgeladen und der erste Schalter geschlossen. Damit ist bei Beginn des Fährbetriebs der Stützspeicher auf dem Potential des Niedervoltbordnetzes und stutzt die Verbraucher insbesondere während eines Zustarts bei geöffnetem zweiten Schalter. Es kann alternativ das Fahrzeug auch über ein erweitertes Bordnetz mit
Hochleistungsverbrauchern und mit einem Zusatzspeicher verfügen und einen bidirektionalen Gleichspannungssteiler umfassen, der eine erste Schnittstelle und eine zweite Schnittstelle umfasst, wobei die erste Schnittstelle mit dem Stützspeicher verbunden ist und die zweite
Schnittstelle mit dem erweiterten Bordnetz verbunden ist.
Dann ist es besonders vorteilhaft, wenn das Niedervoltbordnetz einen zweiten Schalter umfasst, und durch den zweiten Schalter der Energiespeicher von dem weiteren Niedervoltbordnetz elektrisch trennbar ist. Der Starter ist zu dem Energiespeicher parallel geschaltet. Während des Fährbetriebs des Fahrzeugs werden der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen, vor einem Zustart wird der zweite Schalter geöffnet, nach dem Zustart wird der zweite Schalter geschlossen, während eines Nachlaufs des Fahrzeugs werden der
Stützspeicher und der Zusatzspeicher teilweise entladen und danach der erste Schalter geöffnet, wahrend eines Stillstandsbetriebs des Fahrzeugs wird der erste Schalter geöffnet, während eines Vorlaufs des Fahrzeugs wird der Stützspeicher über den Gleichstromsteller geladen und danach der erste Schalter geschlossen und während des Vorlaufs wird der Zusatzpeicher über den Gleichspannungssteiler geladen.
Dies bedeutet, dass bei einem Zustart des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb die Verbraucher vom elektrischen Potential des Energiespeichers entkoppelt sind und von dem Stützspeicher gestützt werden. Die Hochleistungsverbraucher werden von dem Zusatzspeicher gestützt.
Wenn das Fahrzeug in einer Nachlaufphase vom Fahrbetrieb in einen Ruhezustand überführt wird - auch als Einschlafen des Fahrzeugs bezeichnet -, werden der Stützspeicher und der Zusatzspeicher entladen und der erste Schalter wird danach geöffnet. Somit besteht zwischen dem Stützspeicher während der fahrbetriebslosen Phase des Fahrzeugs und dem restlichen Niedervoltbord netz keine direkte elektrische Verbindung. Dies ist bei etwa leistungsoptimierten Stützspeichem vorteilhaft. Wenn das Fahrzeug in einer Vortaufphase vom Ruhezustand in den Fahrbetrieb überführt wird - auch als Aufwachen des Fahrzeugs bezeichnet -, wird der Stützspeicher über den
Gleichspannungssteiler vorgeladen und der erste Schalter wird geschlossen. Danach erfolgt eine Vorladung des Zusatzspeichers über den Gleichspannungssteller. Damit ist bei Beginn des Fahrbetriebs der Stützspeicher auf dem Potential des
Niedervoltbordnetzes und stutzt die Verbraucher insbesondere wahrend eines Zustarts bei geöffnetem zweiten Schalter. Der Zusatzspeicher ist bei Beginn des Fahrbetriebs auf einem vorbesiimmbaren Potential, um die Hochleistungsverbraucher spannungsbezogen zu stützen. Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Es gibt Fahrzeuge, die über in klassisches 12 Volt Energiebordnetz zur elektrischen
Energieversorgung verfügen. Die klassische 12 Volt-Architektur ist nicht in der Lage, zukünftige Herausforderungen durch Hochleistungsverbraucher zu erfüllen wie zum Beispiel von Fahrwerkssystemert (elektrische Wankstabilisierung, elektrische Aktivlenkung) oder von Motorzustartsystemen bei
Hybridfahrzeugen oder Fahrzeugen mit einer Motor-Stop-Start-Funktion. Deshalb wird vorgeschlagen, das gewöhnliche Fahrzeugbordnetz architektonisch um eine Spannungsebene auf 48 Volt für Hochleistungsverbraucher zu erweitern und das 12 Volt- Bordnetz mit einem dynamischen Stützspeicher und zwei Schaltern zu versehen.
Für die beiden Schalter wird eine Betriebsstrategie vorgeschlagen, die eine Ladung des dynamischen Stützspeichers mit Beendigung des Ruhezustands des Fahrzeugs ermöglicht. Diese Ladung wird als Vorladung bezeichnet.
Auf diese Weise wird zur Stabilisierung der Energieversorgung im Fahrzeug z.B. bei Zustarts und bei Fahrmanovern beigetragen.
Das Gesamtgewicht der eingesetzten Energiespeicher ist minimierbar, wenn als dynamischer
Zusatzspeicher beispielsweise ein Superkondensator eingesetzt wird und eine Bleibatterie geringer dimensionierbar ist. Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
Im Einzelnen zeigen schematisch
Fig. 1 Fahrzeug mit einer Bordnetearchitektur
Fig. 2 Fahrzeug mit einer Bordnetzarchitektur und einer Bordnetzerweiterung
Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Niedervoltbordnetz (1). An dieses Niedervolibordnetz ist ein Hochvoltbordnetz (12) über einen Hochvoltsteller (11) angebunden. Der Hochvoltsteller ist als bidirektionaler Gleichspannungssteiler ausgebildet.
Das Hochvoltbordnetz umfasst einen elektrifizierten Antriebsstrang des Fahrzeugs und bestimmt den Typ des Fahrzeugs entweder als Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), als Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, ptugin hybrid electric vehicle) oder auch als Elektrafahrzeug mit einem Verbrennungsmotor als Range-Extender. Diese Fahrzeugtypen sind dem Fachmann bekannt.
Das Niedervoltbordnetz verfügt über mehrere elektrische Verbraucher (2) und über einen vorzugsweise energieoptimierten elektrischen Energiespeicher (4), der als sekundäre Lithiumionen-Batterie oder als Blei-Säure-Batterie ausgebildet sein kann.
Weiterhin verfügt das Niedervoltbordnetz über einen Stützspeicher (3), der vorzugsweise als leistungsoptimierter elektrischer Energiespeicher, beispielsweise als ein Superkondensatorstack mit einer Nennspannungslage bei 12 Volt ausgebildet ist
Der elektrische Energiespeicher und der Stützspeicher weisen jeweils ein höheres elektrisches Potential auf, das mit dem Potential des Niedervoltbordneizes elektrisch verbunden ist oder verbind bar ist und ein niedrigeres elektrisches Potential, das mit einer Masse des Fahrzeugs elektrisch in Kontakt ist. Das Niedervoltbordnetz verfügt außerdem Ober einen ersten Schalter (6), der das höhere
Potential des Stützspeichers mit dem Potential des Niedervoltbordnetzes verbindet und durch den der Stützspeicher vom Miedervoltbordnetz elektrisch trennbar ist.
Als HEV oder PHEV verfügt das Fahrzeug nach Fig. 1 oder 2 zudem über einen Generator (10, G), durch den das Niedervoltbordneiz mit elektrischer Leistung über den elektrischen Ausgang des Generators speisbar ist und durch den über den mechanischen Eingang des Generators mechanische Leistung von einem Verbrennungsmotor (9, ICE) aufnehmbar ist. Der
Verbrennungsmotor ist von einem Starter (5, S) startbar, der mii dem Niedervoltbordnetz elektrisch verbunden ist.
Es sind die Verbraucher, der Energiespeicher, der Stützspeicher und zusätzlich der Generator und der Starter jeweils mit dem elektrischen Potenttal des Niedervoltbordnetzes elektrisch verbunden oder verbindbar und jeweils mit einer elektrischen Masse des Fahrzeugs elektrisch in Kontakt.
Das Fahrzeug in Fig. 1 weist außerdem einen Gleichspannungssteller (8) auf, welcher eine erste elektrische Schnittstelle umfasst und eine zweite elektrische Schnittstelle umfasst.
Der Gleichspannungssteller (8) ist bidirektional ausgeführt.
Die erste elektrische Schnittstelle ist direkt mit dem höheren Potential des Stützspeichers elektrisch verbunden. Die zweite elektrische Schnittstelle ist mit dem Potential des
Niedervoltbordnetzes verbunden.
Das Niedervoltbordnetz weist zudem einen zweiten Schalter (7) auf. Über den zweiten Schalter sind die elektrischen Verbraucher und das höhere Potential des Stützspeichers mit dem höheren Potential des Energiespeichers elektrisch verbindbar. Somit bewirkt der zweite Schalter in geöffnetem Zustand eine elektrische Entkopplung des Energiespeichers von dem Niedervoltbordnetz. Diese elektrische Entkopplung vom Niedervoltbordnetz gilt bei geöffnetem zweiten Schalter auch für die zweite elektrische Schnittstelle des GieichspannungssteUers (8) und für den Starter.
Bei geschlossenem zweiten Schalter in Fig. 1 besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher, und zwischen dem Starter und der zweiten Schnittstelle des Gleichspannungssiel lers. Die erste Schnittstelle des Gleichspanungsstellers ist mit dem Stützspeicher und, falls der erste Schalter (6) geschlossen ist, mit den Verbrauchern elektrisch verbunden. Ein Fahrzeug nach Fig. 1 ermöglicht eine Betriebsstrategie des ersten Schalters und des zweiten Schalters in besonders vorteilhafter Weise:
Bei gewöhnlichem Fahrbetrieb sind der ersten Schalter und der zweite Schalter geschlossen. Falls während des Fahrbetriebs hoher elektrischer Leistungsbedarf eines Verbrauchers (2) auftritt oder der Verbrennungsmotor zugestartet werden muss, wird der elektrische Verbraucher vom Energiespeicher und vom Stützspeicher mit elektrischer Leistung versorgt.
Falls während des Fahrbetriebs der Verbrennungsmotor vom Starter gestartet werden muss (Zustart bei HEV oder PHEV), bleibt der erste Schalter geschlossen, der zweite Schalter wird während des Zustarts geöffnet. Nach dem Zustart wird der zweite Schalter geschlossen. Dies hat zur Folge, dass die Verbraucher (2) während des Zustarts von dem Stützspeicher mit elektrischer Leistung versorgbar sind und von der Spannungslage des höheren Potentials des Stützspeichers gestützt werden. Während eine ordnungsgemäßen Zustarts des Verbrennungsmotor, der sich auf der Zeitskala von weniger als 1 Sekunde erstreckt, bricht die Spannung am Energiespeicher (4) ein, da der Starter zum Andrehen des Verbrennungsmotors dem Energiespeicher elektrische Leistung entnimmt. Insbesondere kommt es zu Beginn eines Zustartvorgangs zu einem
Kurzschlussstrom über eine Erregerwicklung des Starters, die zu einem besonders starken Spannungseinbruch auf einer Zeitskala von wenigen Millisekunden, dem sogenannten
Startspannungseinbruch, an dem Energiespeicher führt.
Infolge des geöf neten zweiten Schalters sind der Stützspeicher und die Verbraucher von dem Startspannungseinbruch elektrisch entkoppelt. Der Leistungstransfer über die elektrische Verbindung des Stützspeichers und die erste Schnittstelle des Gleichspannungssteliers (8) zum Starter und zum Energiespeicher ist aufgrund der zeitlichen Sensitivitit eines gewöhnlichen Gleichspannungssteliers im Vergleich zur Zeitskala des Startspannungseinbruch
vemachlässigbar. 235 Falls das Fahrzeug nach Fig. 1 abgestellt wird und in einen Ruhezustand übergeht, wird der lelsiungsoptimierle Stützspeicher zumindest teilweise entladen beispielsweise durch den Nachlauf des Fahrzeugs oder durch Ladung des Energiespeichers über den
Gteichsspannungssteller. Der erste Schalter (6) wird danach geöffnet, der zweite Schalter bleibt geschlossen.
240
Eine zumindest teilweise Entladung von Superkondensatoren wirkt sich auf deren Lebensdauer positiv aus. Hingegen sollte der Energiespeicher (4), z.B. als Blei-Säure-Batterie ausgeführt, während einer Standzeit des Fahrzeuge einen möglichst hohen Ladezustand aufweisen, um dessen Lebensdauer ebenfalls zu verlängern. Dies unterstützt die Betriebsstrategie des ersten 245 Schalters und des zweiten Schalters.
Fafls das Fahrzeug nach Fig. 1 aus dem Ruhezustand in Fahrbetrieb genommen wird, wird der während des Vorlaufs bzw. Aulwachen des Fahrzeugs der Stützspeicher über den
Gleichspannung ssteller aus dem Energiespeteher vorgeladen. Danach wird der erste Schatter
250 geschlossen. Damit ist der Stützspeicher betriebsbereit und geladen, um das
Miedervoltbordnetz im Falle des geöffneten zweiten Schalters zu stützen. Die Vorladung kann auch über den Steller (11) aus dem Hoc voftbord netz erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 2 ausgehend von Fig. 1 gezeigt.
255
Ein Fahrzeug gemäß Fig. 2 weist Hochleistungsverbraucher (13) auf. Beispiele sind etwa eine elektrische Wankstabilisierung oder eine elektrische Aktivlenkung. Hochleistungsverbraucher sind dadurch charakterisiert, dass eine Versorgung dieser Verbraucher durch das
Niedervoltbordnetz nur bei einem Fluss von hohen Stromstärken in einem Niedervoltbord netz 260 ausreichend zuverlässig gewährleistbar ist. Dies würde jedoch zu einem erwünschten
Spannungsein bruch im Niedervoltbordnetz führen. Aus diesem Grund werden die
Hochleistungsverbrauch über ein erweitertes Bordne z (Bordnetzerweiterung, 2) bei einer Im Vergleich zum Niedervoltbordneiz höheren Nennspannungslage elektrisch versorgt.
265 Zur Herstellung einer höheren Spannungslage der Bordneteerweiterung im Vergleich zum
Niedervoltbordnetz wird in Fig. 3 und 4 statt dem Gleichspannungssteller (8) ein
Gleichspannungssteller (8') eingesetzt. Dieser Gleichspannungssteller ist bidirektional ausgeführt. Eine erste Schnittstelle ist direkt mit dem höheren Potential des Stützspeichers elektrisch verbunden. Eine zweite Schnittstelle des Steilere (8') ist mit der Bordnetzerweiterung elektrisch verbunden und liegt damit auf dem elektrischen Potential des erweiterten Bordnetzes,
Zusätzlich ist zu den Hochleistungsverbrauchern im erweiterten Bordnetz ein Zusatzspeicher (14) parallel geschattet, der leisturtgsoptimiert ist. Beispielsweise kann dies ein
Superkondensatorstack oder eine UtNum-lonen-Satterie mit einer Nennspannungslage bei etwa 48 Voii sein.
Damit ermöglicht ein Fahrzeug nach Fig. 2 eine Betriebsstrategie des ersten Schalters und des zweiten Schalters in besonders vorteilhafter Weise: Bei gewöhnlichem Fahrbetrieb sind der ersten Schalter und der zweite Schalter geschlossen. Falls während des Fahrbetriebs hoher elektrischer Leistungsbedarf eines
Hochleistungsverbrauchers im erweiterten Bordnetz (2) auftritt (z.B. ein plötzliches
Lenkmanöver mit der elektrischen Aktivlenkung), wird die Spannung im erweiterten Bordnetz vom Zusatzspeicher (14) gestützt. Über den Steller (8') kommt es außerdem zu einem Transfer von elektrischer Leistung aus dem Niedervoltbordnetz. Im weiteren Fahrbeirieb erfolgt weiterhin ein Laden des Zusatzspeichers über den Steiler (8') aus dem N iedervoltbord netz.
Falls im gewöhnlichen Fahrbetrieb der Verbrennungsmotor zugestartet werden muss (Zustart bei HEV, PHEV oder Range-Extender bei Elektrofahrzeug), wird der zweite Schalter (7) geöffnet, der erste Schalter (6) bleibt geschlossen. Elektische Verbraucher (2) werden vom Energiespeicher mit elektrischer Leistung versorgt und in ihrer Spannungslage vom
Stützspeicher gestützt.
Nach dem Zustart wird der zweite Schalter geschlossen. Dies hat zur Folge, dass die
Verbraucher (2) während des Zustaits von dem Stützspeicher mit elektrischer Leistung versorgbar sind und von der Spannungslage des höheren Potentials des Stützspeichers gestützt werden.
Während eine bestimmungsgemäßen Zustarts des Verbrennungsmotor, dar sich auf der Zeitskala von weniger als 1 Sekunde erstreckt, bricht die Spannung am Energiespeicher (4) ein, da der Starter zum Andrehen des Verbrennungsmotors dem Energiespeicher elektrische
Leistung entnimmt. Instesondere kommt es zu Beginn eines Zustartvorgangs zu einem Kurzschlussstrom über eine Erregerwicklung des Starters, die zu einem besonders starken Spannungseinbruch auf einer Zeitskala von wenigen Millisekunden, dem sogenannten
Startspannungseinbruch, an dem Energiespeicher führt.
Infolge des geöffneten zweiten Schalters sind der Siützspeicher und die Verbraucher von dem Startspannungseinbruch elektrisch entkoppelt. Der Leistungstransfer über die elektrische Verbindung des Stützspeichers und die erste Schnittstelle des Gleichspannungssiellers (8') zum Starter und zum Energiespeicher ist aufgrund der zeitlichen Sensitivität eines
gewöhnlichen Gletchspannungsstellers im Vergleich zur Zeitskala des Startspannungseinbruch vernachlässig bar.
Falls das Fahrzeug nach Fig. 2 abgestellt wird und in einen Ruhezustand übergeht, werden der leistungsoptimierte Zusatzspeicher und der leistungsoptimierte Siützspeicher zumindest teilweise entladen beispielsweise durch den Nachlauf des Fahrzeugs unter Energieverbrauch der Verbraucher (2) und/oder der Hochleistungsverbraucher (13) oder durch Ladung des
Energiespeichers (4). Der Zusatzspeicher wird z.B. von 48 Volt auf 38 Volt entladen, der
Stützspeicher von 12 Volt auf 8 Volt. Der erste Schalter (6) wird danach geöffnet, der zweite Schalter bleibt geschlossen.
Eine zumindest teilweise Entladung von Superkondensatoren wirkt sich auf deren Lebensdauer positiv aus. Hingegen sollte der Energiespeicher (4), z.B. ais Blei-Säure-Batterie ausgeführt, während einer Standzeit des Fahrzeugs einen möglichst hohen Ladezustand aufweisen, um dessen Lebensdauer ebenfalls zu verlängern. Dies unterstützt die Betriebsstrategie des ersten Schalters und des zweiten Schalters.
Falls das Fahrzeug nach Fig. 2 aus dem Ruhezustand in Fahrbetrieb genommen wird, wird während des Vorlaufs bzw. Aufwachen des Fahrzeugs der Stützspeicher über den
Gleichspannungssteiler (8') aus dem Zusatzspeicher vorgeladen. Dies ist selbst ausgehend von einem teilentladenen Zustand des Zusatzspeichers bei z. B. 36 Volt aufgrund der höheren
Nennspannungslage möglich. Danach wird der srste Schalter geschlossen. Damit ist der Stutzspeicher betriebsbereit und geladen, um das Niedervoltbordnetz im Falle des geöffneten zweiten Schalters zu stützen. Dis Vorladung kann auch über den Steiler (11) aus dem
Hochvoltbordnetz erfolgen. Nach der Vorladung des Stützspeichers sind der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen, d.h. bei zwischen dem Stützspeicher und dem Energiespeicher vergleichbarem elektrischen Potential. Das Schließen des ersten Schalters hat einen geringen
Potentialausgleich zwischen dem Siützspeicher und dem Energiespeicher zur Einstellung eines gemeinsamen, gleichen elektrischen Potentials zur Folge. Ein Schließen des ersten Schalters ohne eine Vorladung des leistungsoptimierten Stützspeichers über den Steller (8') würde extrem hohe Ströme zwischen dem ersten Schafter und dem zweiten Schalter bedeuten. Nach der Vorladung wird während des Vorlaufs des Fahrzeugs der Zusatzspeicher aus dem
Niedervoltbordnetz über den Gleichspannungsst eller (8') geladen. Da der Energiespeicher energieoptimiert und der Zusatzspeicher leistungsoptimiert ist, bedeutet die Ladung des Zusatzspeichers keine wesentliche Spannungsabsenkung im Niedervoltbordnetz.
Vorteilhaft an dieser Betriebsstrategie ist, dass während des Vorlaufs des Fahrzeugs beide leistungsoptimierten Speicher (3) und (14) vorgeladen werden und im geladenen Zustand in den Fahrbetrieb des Fahrzeugs übergehen.
Im Fahrbetrieb sind somit das Niedervoltbordnetz über den Stützspeicher und das erweiterte Bord netz über den Zusatzspeicher gestützt. Bei einem Zustart bedeutet das öffnen des zweiten Schalters eine Beschränkung des Startspannungseinbruch auf den Energiespeicher.
Also ist für alle Verbraucher der Fig. 1 und 2 in allen Betriebssituationen eine stabile
Spannungsversorg ung sichergestellt
Ferner erfolgt die Vorladung über den Steller (8') und ohne Stromfluss über Schalter. Die Vorladung ist also in kontroierier Weise durchführbar und überwachbar bzw. in für die Schalter schonender Weise.
Der Einsatz des/der leistungsoptimierten Speicher in Fig. 1 /Fig. 2 ermöglicht ferner eine Reduzierung der Größe des energieoptimierten Energiespeichers im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeugbord netz mit nur einem Energiespeicher (4). Da dieser z.B. als eine Bleibatterie mit typischerweise hohem Gewicht ausgeführt ist, kann dies trotz Integration eines/von leistungsoptimierten Energiespeichers/n eine Gewichtseinsparung des Fahrzeugs bedeuten. Die feistungsbezogene Dichte etwa von Superkondensatoren ist verhältnismäßig so hoch, dass das Gewicht des/der Superkondensators/en durch die Gewichtseinsparung infolge der geringen energiebezogenen Dichte der Bleibatterie überkompensiert wird. Somit ist es besonders vorteilhaft, wenn der Energiespeicher energieoptimiert und der Stützspeicher und der Zusatzspeicher jeweils Ieistungsopttmiert ausgelegt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeug mit einem hybridisierten Antriebsetrang und mit einem Niedervoltbordnetz (1), das elektrische Verbraucher (2), einen Energiespeicher (4) und einen Starter (5) für einen Verbrennungsmotor umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Niedervoltbordnetz einen Stützspeicher (3) umfasst,
- das Niedervoltbordnetz einen ersten Schalter (6) zwischen dem Stützspeicher und dem weiteren Niedervoltbordnetz umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, daes
das Fahrzeug einen bidirektionalen Gleichspannungssieller (8) umfasst,
der Gleichspannungssieller einer erste Schnittstelle und eine zweite Schnittstelle umfasst,
die erste Schnittstelle mit dem Stutzspeicher verbunden ist und
die zweite Schnittstelle mit dem Niedervoltbordnetz verbunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Miedervoltbordnetz einen zweiten Schalter (7) umfasst, und
durch mit dem zweiten Schalter die zweite Schnittstelle des Gleichspannungsstellers und der Energiespeicher von dem weiteren Niedervoftbordnetz elektrisch trennbar sind.
4 Fahrzeug nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Starter zwischen dem Energiespeicher und der zweiten Schnittstelle des
Gleichspannungsstellers befindlich ist. Fahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug ein erweitertes Bordnetz (1a) mit Hochleistungsverbrauchem (13) und mit einem Zusatzspeicher (14) umfasst,
das Fahrzeug einen bidirektionalen Gleichspannungssteiler (8') umfasst,
der Gleichspannungssieller einer erste Schnittstelle und eine zweite Schnittstelle umfasst,
die erste Schnittsteife mit dem Stützspeicher verbunden ist und
die zweite Schnittstelle mit dem erweiterten Bordnetz verbunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Niedervort bord netz einen zweiten Schalter (7) umfasst, und
durch den zweiten Schalter der Energiespeicher von dem weiteren Niedervoltbordnetz elektrisch trennbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Starter zu dem Energiespeicher parallel geschaltet ist.
8 Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs nach Anspruch 4,
mit Schritten derart, dass
- bei Fährbetrieb der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen sind,
S - vor einem Zustart der zweite Schalter geöffnet wird,
- nach dem Zustart der zweite Schalter geschlossen wird,
- während eines Nachlaufs des Fahrzeugs der Stützspeicher teilweise entladen wird und danach der erste Schalter geöffnet wird,
- während eines Ruhezustands des Fahrzeugs der erste Schalter geöffnet ist,
0 - während eines Vorlaufs des Fahrzeugs der Stützspeicher über den Gleichstromsteller geladen wird und danach der erste Schalter geschlossen wird. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs nach Anspruch 7,
mit Schiiten derart, dass
bei Fahrbetrieb der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen sind, vor einem Zustart der zweite Schalter geöffnet wird,
nach dem Zustart der zweite Schalter geschlossen wird,
während eines Nachlaufs des Fahrzeugs der Stützspeicher und der Zusatzspeicher teilweise entladen wird und danach der erste Schalter geöffnet wird,
während eines Ruhezustands des Fahrzeugs der erste Schalter geöffnet ist, während eines Vorlaufs des Fahrzeugs der StQtzspeichsr über den Gleichstromsteller geladen wird und danach der erste Schalter geschlossen wird und
während des Vorlaufs des Fahrzeugs der Zusatzspeicher über den
Glelchspannungssteller geladen wird.
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