WO2013160341A1 - Stützspeicher mit mittenabgriff für fahrzeugbordnetz - Google Patents

Stützspeicher mit mittenabgriff für fahrzeugbordnetz Download PDF

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WO2013160341A1
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Hartmut PRÖBSTLE
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y10S903/00—Hybrid electric vehicles, HEVS
    • Y10S903/902—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors
    • Y10S903/903—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors having energy storing means, e.g. battery, capacitor

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with a first sub-board network and a second sub-board network, which is electrically connected at least a first node to the first sub-board network, wherein the first sub-board network comprises a first group of electrical consumers and the second sub-board network, a second group of electrical Includes consumers.
  • the electrical system of a vehicle is a complex system with several active and passive components.
  • the document DE 10 2007 017 187 A1 describes a vehicle electrical system with voltage-sensitive consumers of a vehicle with engine start-stop function.
  • the voltage-sensitive consumer is supported by a Gieichwoodssteller and a blocking element.
  • the document DE 102 48 658 A1 describes the voltage-related support of
  • the supercap module supports voltage-sensitive consumers, in particular during a start of an internal combustion engine.
  • the first sub-board network comprises a starter, a starter parallel-connected on-board storage and a first switch between the first group of consumers and the electrical system storage, and it comprises the second sub-board a first Gieichwoodssteller, an electrical support storage module, the second group of electrical Consumers are connected in parallel at a second node, wherein an interface of the first DC voltage adjuster is connected to the second node, and has a center electrical tap, which via a second
  • Switch is connected to the first node.
  • a center tap is understood to mean that the electrical potential dropping across the entire backup memory module is partially, in principle, according to the principle of a voltage divider at the center tap. is tapped off at a lower electrical potential than the total declining potential.
  • the backup storage module supports the second group of electrical consumers, i. supplied with electrical energy and power and that the support memory module additionally supports the first group of electrical consumers with the second switch closed via the center register.
  • Support memory module a first part of memory and a second part of memory electrically in series.
  • the center tap is located between the first part memory and the second part memory.
  • the two sub-memories can be designed as self-sufficient energy storage, which together form the backup storage module or be components of an energy storage, which forms the backup storage module.
  • the vehicle has a startable by the starter combustion combustion engine unit, wherein the vehicle as
  • the vehicle in addition to the first sub-board network and the second part of the on-board network also has a high-voltage vehicle electrical system, which is electrically connected via a DC voltage controller with the two sub-board networks, if the vehicle also has a
  • the internal combustion engine is not necessarily as a traction machine to use, but as in a battery-powered electric vehicle with a range-extending auxiliary engine as well
  • the first sub-electrical system and the first partial memory have a nominal voltage position between 12 volts and 14 volts and the second
  • Partial power supply a rated voltage between 12 volts and 60 volts.
  • the second group of electrical consumers may have a higher
  • the rated voltage position of the backup storage module corresponds to the nominal voltage position of the second group of electrical loads and the nominal voltage position of the first partial memory corresponds to the nominal voltage position of the first group of electrical consumers.
  • the support storage module is constructed from supercapacitor cells, or if the support storage module is constructed from lithium-ion cells.
  • a driving operation is ingestible by the vehicle, in which the first switch is closed and the second switch is opened or the first switch is opened and the second switch is closed, it is a Zustart vigorous ingested by the vehicle, in which the first switch is open and the second switch is closed, and it is an equilibration operation of the vehicle
  • the on-board network memory is the first group of electrical
  • the backup storage module supports the second group of electrical consumers and the first part storage supports the first group of electrical consumers.
  • the first switch is closed and the second switch also remains closed, which is referred to as Equilibrierbet eb.
  • Equilibrierbet eb the second partial memory is discharged via a potential drop at the second node or via a potential increase at the second node until the first partial memory and the second partial memory
  • Partial memory have a comparable relative state of charge. Thereafter, the second switch is opened, whereby the driving operation is established.
  • the invention is based on the following considerations:
  • Plug-in hybrid vehicles and battery electric vehicles have an electrified powertrain with a conventional 12 volt power cord and a high-voltage vehicle electrical system, the
  • High-voltage on-board electrical system of the drive train and the 12-volt on-board network is associated with the supply of other electrical consumers.
  • the conventional 12 volt vehicle electrical system architecture is barely able to meet the challenges of integrating additional consumers into the vehicle electrical system, in particular of
  • High performance consumers such as electric steering systems, electric roll stabilization systems or hybridization systems
  • Fig. 1 and Fig. 2 show the architecture of a vehicle with two low-voltage board nets.
  • the vehicle can be designed either as a vehicle with only one internal combustion engine (ICEV) and a generator, wherein the generator (G) at the potential of the node (K1) (see FIG. 1) or the generator (G ') at the potential of the Node (K3) (see Fig. 2).
  • the vehicle may be used as a vehicle with an electrified powertrain, i. as a plug-in hybrid vehicle (PHEV), as a hybrid vehicle (HEV) or as a battery electric vehicle with range extender engine (BEV) be executed, each with a high-voltage onboard with a
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • BEV battery electric vehicle with range extender engine
  • High voltage DC voltage controller (DC 2), which is also referred to as a second DC voltage controller.
  • the DC voltage divider (DC2) has a low-voltage side
  • a first sub-electrical system is connected to the node (K1), comprising electrical consumers (V1), a first switch (S1), an electrical energy store, the vehicle electrical system storage (SP1), and a starter.
  • the first sub-electrical system has a nominal voltage of 12 volts.
  • the on-board storage system can be designed as a lead-acid battery or as a lithium-ion battery.
  • the electrical consumers (V1) include conventional electrical consumers of vehicle technology such as windscreen wipers, seat heating, control units, etc.
  • FIG. 1 and FIG. 2 a second sub-board network with a first bidirectional DC voltage controller (DC1), a second switch (S2), electrical High-performance consumers (V2) and a support memory (SP2) connected.
  • DC1 bidirectional DC voltage controller
  • S2 second switch
  • V2 electrical High-performance consumers
  • SP2 support memory
  • An electrical path is connected in parallel with the first DC voltage controller (DC1) to the second switch (S2), which has a voltage dividing tap (KM) on the backup memory (SP2).
  • An interface of the first Gleichputssteliers is connected to the node (K1) and another interface to the potential (K3) of the support memory and the high-power consumer.
  • the tap (KM) divides the memory (SP2) into a first partial memory (SP2a) and a second partial memory (SP2b). Parallel to the support memory (SP2) are the
  • the second sub-board network has a
  • the support memory is designed as a supercapacitor module, which in the form of the first sub-memory, a supercapacitor sub-module with the rated voltage position 12 volts and in the form of the second sub-memory a
  • Supercapacitor sub-modules are each made up of a series connection of several
  • the first part memory consists of six
  • Supercapacitor cells and the second partial memory of 18 supercapacitor cells are also used.
  • lithium-ion cells can also be used.
  • the supercapacitor cells forming the first submodule have a substantially identical single cell voltage, which is referred to as the first submodule voltage, and which form the second submodule
  • Supercapacitor cells a substantially identical single cell voltage, which is referred to as a second sub-module voltage.
  • V2 high-performance consumer
  • these consumers can be summarized, which request a short-term high power consumption. These are about electric suspension components such as an electric steering or electric roll stabilization of the vehicle in a driving maneuver, eg evasion at high speed.
  • the optional generator (G) is designed as a 12 volt generator
  • the optional generator is designed as a 48 volt generator with an operating range of, for example 36-52V.
  • the starter (S) which likewise requires a short-term high power requirement in FIGS. 1 and 2, is integrated in the first sub-board network and is not included in the high-power consumers (V2).
  • the first switch (S1) can be closed and the second switch (S2) can be opened.
  • the consumers (V1) of the first sub-board network are electrically powered and voltage-related by the vehicle electrical system storage and additionally supplied with electrical energy either via the second DC voltage divider (DC2) from the high-voltage vehicle electrical system or from the generator (G).
  • DC2 DC voltage divider
  • the high-power consumers of the second sub-electrical system are electrically powered by the backup memory (SP2) and voltage-based and in addition either the second DC voltage divider (DC2) and the first DC voltage divider (DC1) from the high-voltage vehicle electrical system or - according to FIG. 1 - of the generator (G). about the first one
  • DC1 DC voltage divider
  • G ' generator
  • the regular driving operation is indicated in FIG. 3 as (A).
  • the transverse axis (1) denotes the time, the vertical axis the voltage.
  • the course (3) denotes the Einzelzellschreibsiage of the cells forming the first partial memory, i. the first sub-module voltage, the course (4) denotes the Einzelzellschreibsiage of the cells forming the second partial memory, i. the second sub-module voltage.
  • regular driving mode (A) these are both
  • the starter In the case of a power requirement by the starter (S), according to FIGS. 1 and 2 the first switch (S1) is opened and the second switch (S2) is closed. This means that the starter is powered by the electrical system storage at the moment of start, but is decoupled from the first sub-board network. This operation is referred to as a mode of operation.
  • the consumers (VI) are electrically powered from the first sub-module (SP2a) and supported by voltage. This means that a discharge of the first submodule (SP2a) independent of the second submodule (SP2b) can occur. Thus, they have the first sub-module forming
  • Supercapacitor cells have a lower state of charge and a lower single cell voltage. This condition is called unequilibrated. Also a state where the first Sub-module forming supercapacitor cells in comparison to the second sub-module forming supercapacitor cells a higher state of charge and a higher
  • switches (S1) and (S2) semiconductor switches can be used.
  • switches (S1) and (S2) semiconductor switches can be used.
  • the service mode is designated as (B).
  • a drift occurs between the single-cell voltage position of the cells forming the first partial memory and the single-cell voltage position of the cells forming the second partial memory.
  • the first switch (S1) is closed in FIGS. 1 and 2.
  • the second switch (S2) initially remains closed.
  • the state when the first switch (S1) is closed and the second switch (S2) is closed is called equilibration, and is shown in FIG. 3 as mode (C).
  • Partial storage (SP2a) and (SP2b) sought. In the equilibrated state, all of the two partial storage-forming supercapacitor cells have a comparable single-cell voltage.
  • the equilibration can in Fig. 1 and Fig. 2 by a targeted unloading of the second
  • Partial memory take place when the supercapacitor cells forming the first partial memory have a lower state of charge and a lower single cell voltage in comparison with the supercapacitor cells forming the second partial memory.
  • the discharging of the second partial memory (SP2b) can be done via the second DC voltage controller in the first sub-board network. This discharge is maintained until the single-cell voltage of the cells forming the second partial memory has reached the single-cell voltage of the cells forming the first partial memory.
  • the equilibration can be carried out by targeted charging of the second partial memory, when the first partial memory forming supercapacitor cells in comparison to the second sub-memory forming supercapacitor cells have a higher state of charge and a higher single-cell voltage. Then, the second partial memory on the first DC controller with closed second switch by attaching a charging potential between the center tap (KM) and the second node (K2) through the first
  • Embodiment is discharged to an equalization second submodule voltage to the first sub-module voltage.
  • the second switch (S2) is opened.
  • the first switch (S1) is closed and the second switch (S2) is opened.
  • the support memory can be charged via the bidirectional DC voltage divider (DC1) by applying a charging potential at the node (K3).
  • the charging power comes from the first sub-board network or additionally via the second DC voltage adjuster (DC2) from the high-voltage vehicle electrical system or - in the case of Fig. 1 - via the generator (G). In the case of FIG. 2, the charging power can also come from the generator (G ').
  • both partial memories can be loaded efficiently, since otherwise, in a series connection of supercapacitor cells, there would be an increased drop in the charging potential to the more highly charged supercapacitor cells at the expense of the weaker charged supercapacitor cells. In this way, the unequilibrated state would be further reinforced.
  • the first switch (S1) is opened and the second switch (S2) is closed.
  • the first switch (S1) is opened and the second switch (S2) is closed.
  • FIGS. 1 and 2 offer the advantage that, regardless of the type of vehicle ICEV, PHEV, HEV or BEV, high-performance consumers (V2) can be supplied in the second sub-electrical system while maintaining a stable voltage situation in the first sub-electrical system (V1) with a high supply quality two sub-nets. Thisommesqualrt2011 is maintained even with a support of the internal combustion engine, which is ensured by the shading of the two Operabord networks in combination with the switch positions depending on operating modes of the vehicle.

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Abstract

Fahrzeug mit einem ersten Teilbordnetz und mit einem zweiten Teilbordnetz, welches an zumindest einem ersten Knotenpunkt (K1) elektrisch mit dem ersten Teilbordnetz verbunden ist, wobei das erste Teilbordnetz eine erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern (V1) umfasst und das zweite Teilbordnetz eine zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern (V2) umfasst, wobei das erste Teilbordnetz einen Starter (S) umfasst, das erste Teilbordnetz einem dem Starter parallel geschalteten Bordnetzspeicher (SP1) umfasst, das erste Teilbordnetz einen ersten Schalter (S1) zwischen der ersten Gruppe von Verbrauchern und dem elektrischen Bordnetzspeicher umfasst, das zweite Teilbordnetz einen ersten Gleichspannungssteiler (DC1) umfasst, der zweiten Gruppe von elektrischen Verbrauchern ein elektrisches Stützspeichermodul (SP2) an einem zweiten Knotenpunkt (K2) parallel geschaltet ist, eine Schnittstelle des ersten Gleichspannungsstellers mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist, das Stützspeichermodul einen elektrischen Mittenabgriff (KM) aufweist, und der Mittenabgriff über einen zweiten Schalter (S2) mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist.

Description

STÜTZSPEICHER MIT MITTENABGRIFF FÜR FAHRZEUGBORDNETZ
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem ersten Teilbordnetz und mit einem zweiten Teilbord netz, welches an zumindest einem ersten Knotenpunkt elektrisch mit dem ersten Teilbordnetz verbunden ist, wobei das erste Teilbordnetz eine erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern umfasst und das zweite Teilbordnetz eine zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern umfasst.
Das elektrische Bord netz eines Fahrzeugs ist ein komplexes System mit mehreren aktiven und passiven Komponenten. Beispielsweise in der Schrift DE 10 2007 017 187 A1 ist ein Bordnetz mit spannungssensiblen Verbrauchern eines Fahrzeugs mit Motor-Start-Stopp-Funktion beschrieben. Der spannungssensible Verbraucher wird über einen Gieichspannungssteller und ein Sperrelement gestützt.
Die Schrift DE 102 48 658 A1 beschreibt die spannungsbezogene Stützung von
Hochleistungsverbrauchern durch Parallelschaltung eines Supercap-Moduls. Das Supercap- Modul stützt spannungssensible Verbraucher insbesondere während eines Starts eines Verbrennungsmotors.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem ersten Teilbordnetz und mit einem zweiten Teilbordnetz, welches an zumindest einem ersten Knotenpunkt elektrisch mit dem ersten Teilbord netz verbunden ist, wobei das erste Teilbordnetz eine erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern umfasst und das zweite Teilbordnetz eine zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern umfasst, zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst das erste Teilbord netz einen Starter, einen dem Starter parallel geschalteten Bordnetzspeicher und einen ersten Schalter zwischen der ersten Gruppe von Verbrauchern und dem elektrischen Bordnetzspeicher, und es umfasst das zweite Teilbordnetz einen ersten Gieichspannungssteller, ein elektrisches Stützspeichermodul, das der zweiten Gruppe von elektrischen Verbrauchern an einem zweiten Knotenpunkt parallel geschaltet ist, wobei eine Schnittstelle des ersten Gleichspannungsstellers mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist, und einen elektrischen Mittenabgriff aufweist, welcher über einen zweiten
Schalter mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist.
Unter einem Mittenabgriff wird in diesem Dokument verstanden, dass das über das gesamte Stützspeichermodul abfallende elektrische Potential nach dem Prinzip eines Spannungsteilers an dem Mittenabgriff teilweise, d.h. bei geringerem elektrischen Potential als dem gesamthaft abfallenden Potential abgreifbar ist. Dies bedeutet, dass das Stützspeichermodul die zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern stützt, d.h. mit elektrischer Energie und Leistung versorgt und dass das Stützspeichermodul bei geschlossenem zweiten Schalter über den Mittenabgrrff zusätzlich die erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern stützt.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Stützspeichermodul einen ersten Teilspeicher und einen zweiten Teilspeicher elektrisch in Reihe. Der Mittenabgriff befindet sich zwischen dem ersten Teilspeicher und dem zweiten Teilspeicher.
Die beiden Teilspeicher können als autarke Energiespeicher ausgebildet sein, welche gemeinsam das Stützspeichermodul bilden oder Bestandteile eines Energiespeichers sein, welcher das Stützspeichermodul bildet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verfügt das Fahrzeug über eine von dem Starter startbare, Verbrennung skraftmotorische Einheit, wobei das Fahrzeug als
Verbrennungskraftfahrzeug mit einem Generator, der mit dem ersten Knotenpunkt oder mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist, oder als Plug-In-Hybridfahrzeug oder Hybridfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz, das über einen zweiten Gleichspannungssteiler mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist, oder als Elektrofahrzeug mit einem Range-Extender-Motor und mit einem Hochvoltbordnetz, das über einen zweiten Gleichspannungssteller mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist, ausgebildet ist.
Es kann also das Fahrzeug neben dem ersten Teilbord netz und dem zweiten Teil bordnetz auch über ein Hochvoltbordnetz verfügen, das über einen Gleichspannungssteller mit den beiden Teilbordnetzen elektrisch verbunden ist, sofern das Fahrzeug auch eine
Verbrennungskraftmaschine aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine ist nicht notwendigerweise als Traktionsmaschine zu nutzen, sondern kann wie bei einem batteriebetriebenen Elektrofahrzeug mit einem reichweitenverlängernden Zusatzmotor auch als
Nebenaggregat dienen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung weisen das erste Teilbordnetz und der erste Teilspeicher eine Nennspannungslage zwischen 12 Volt und 14 Volt und das zweite
Teilbordnetz eine Nennspannungslage zwischen 12 Volt und 60 Volt auf.
Demnach kann die zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern eine höhere
Nennspannungslage aufweisen als die erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern. Die Nennspanungslage des Stützspeichermoduls entspricht der Nennspannungslage der zweiten Gruppe von elektrischen Verbrauchern und die Nennspannungslage des ersten Teilspeichers entspricht der Nennspannungslage der ersten Gruppe von elektrischen Verbrauchern.
Vorteilhaft ist es, wenn das Stützspeichermodul aus Superkondensatorzellen aufgebaut ist, oder wenn das Stützspeichermodul aus Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut ist.
Sowohl Superkondensatorzellen als auch Lithium-Ionen-Zellen weisen eine hohe
Zyklisierbarkeit und eine hohe Stromtragfähigkeit auf, die sie als Stützspeicherkomponenten besonders geeignet erscheinen lassen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist von dem Fahrzeug ein Fahrbetrieb einnehmbar, bei welchem der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet ist oder der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist, es ist von dem Fahrzeug ein Zustartbetrieb einnehmbar ist, bei welchem der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, und es ist von dem Fahrzeug ein Equilibrierbetrieb
einnehmbar, bei welchem der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geschlossen ist.
Das bedeutet, dass in einem Fahrbetrieb, bei dem der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet ist, der Bordnetzspeicher die erste Gruppe von elektrischen
Verbrauchern stützt und das Stützspeichermodu! die zweiten Gruppe von elektrischen
Verbrauchern stützt. In diesem Fahrbetrieb ist der Bordnetzspeicher bei ausreichend hohem elektrischen Potential am ersten Knotenpunkt und das Stützspeichermodul bei ausreichend hohem elektrischen Potential am zweiten Knotenpunkt ladbar. Falls im Fahrbetrieb der erste
Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist, stützt des Stützspeichermodul die zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern und der erste Teilspeicher stützt die erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern.
In einem Zustartbetrieb wird der Starter betätigt, wobei der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist. Während des Startes kommt es zu einem Spannungseinbruch an dem Bordnetzspeicher, wovon die erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern entkoppelt ist. Stattdessen wird die erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern von dem ersten
Teilspeicher gestützt. Dabei wird dieser möglicherweise signifikant entladen oder geladen. Nach dem Start wird der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter verbleibt ebenfalls geschlossen, was als Equilibrierbet eb bezeichnet wird. Im Equilibrierbetrieb wird der zweite Teilspeicher über eine Potentialabsenkung am zweiten Knotenpunkt entladen oder über eine Potentialerhöhung am zweiten Knotenpunkt, bis der erste Teilspeicher und der zweite
Teilspeicher einen vergleichbaren relativen Ladezustand aufweisen. Danach wird der zweite Schalter geöffnet, womit der Fahrbetrieb hergestellt ist.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Es gibt Fahrzeuge mit einer Verbrennungskraftmaschine, die über ein herkömmliches 12-V- Energiebordnetz zur elektrischen Energieversorgung verfügen. Plug-In-Hybridfahrzeuge und batterieelektrische Fahrzeuge verfügen über einen elektrifizierten Antriebsstrang mit einem herkömmlichen 12 Volt-Energiebordnetz und einem Hochvoltbord netz, wobei das
Hochvoltbordnetz der elektrischen Versorgung des Antriebsstranges und das 12 Volt-Bord netz der Versorgung der weiteren elektrischen Verbraucher zugeordnet ist.
Die herkömmliche 12 Volt-Bordnetzarchitektur ist kaum in der Lage, die Herausforderungen durch die Integration weiterer Verbraucher in das Bordnetz, insbesondere von
Hochleistungsverbrauchern, zu erfüllen, wie zum Beispiel von elektrischen Lenksystemen, elektrischen Wankstabiiisierungssystemen oder Zustartsystemen von hybridisierten
Fahrzeugen.
Es wird deshalb vorgeschlagen, eine geschickte Erweiterung des Bordnetzes bei einer
Spannungslage von 48 Volt für Hochleistungsverbraucher vorzunehmen und diese Spannungsebene mit der 12 Volt Ebene zu verschalten, damit die Anforderungen von
Hochleistungsverbrauchern und Zustartsystemen gleichzeitig erfüllt werden können unter
Einhaltung der Stabilitätskriterien der Bordnetzzweige.
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 zeigt schematisch
Fig. 1 Variante eines Fahrzeugs mit Stützspeicher mit Mittenabgriff
Fig. 2 Variante eines Fahrzeugs mit Stützspeicher mit Mittenabgriff
Fig. 3 Betriebsabhängiger Spannungsverlauf am Stützspeicher mit Mittenabgriff
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die Architektur eines Fahrzeugs mit zwei Niedervoltbord netzen. Das Fahrzeug kann entweder als Fahrzeug mit nur einem Verbrennungsmotor (ICEV) und einem Generator ausgestaltet sein, wobei der Generator (G) auf dem Potential des Knotenpunkt (K1) (siehe Fig. 1) oder der Generator (G')auf dem Potential des Knotenpunkts (K3) (siehe Fig. 2) liegt. Nach einer alternativen Ausführungsform in Fig. 1 und Fig. 2 kann das Fahrzeug als Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, d.h. als Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), als Hybridfahrzeug (HEV) oder als Batterieelektrofahrzeug mit Range-Extender-Motor (BEV), ausgeführt sein, die jeweils über ein Hochvoltbordnetz mit einem
Hochvoltgleichspannungssteller (DC 2) verfügen, der auch als zweiter Gleichspannungssteller bezeichnet wird. Der Gleichspannungssteiler (DC2) verfügt über eine niedervoltseitige
Schnittstelle, die auf dem Potential des Knotenpunkts (K1) liegt.
An dem Knotenpunkt (K1) ist nach Fig. 1 und Fig. 2 ein erstes Teilbordnetz angebunden, das elektrische Verbraucher (V1), einen ersten Schalter (S1), einen elektrischen Energiespeicher, den Bordnetzspeicher (SP1), und einen Starter umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Teilbordnetz eine Nennspannungslage von 12 Volt auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Bordnetzspeicher als Blei-Säure-Batterie oder als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt. Die elektrischen Verbraucher (V1 ) umfassen konventionelle elektrische Verbraucher der Fahrzeugtechnik wie etwa Scheibenwischer, Sitzheizung, Steuergeräte, etc.
An dem Knotenpunkt (K1) ist nach Fig. 1 und Fig. 2 ein zweites Teilbord netz mit einem ersten bidirektionalen Gleichspannungssteller (DC1), einem zweiten Schalter (S2), elektrischen Hochleistungsverbrauchern (V2) und einem Stützspeicher (SP2) angebunden. Ausgehend von dem Knotenpunkt (K1) ist parallel zu dem ersten Gleichspannungssteller (DC1) ein elektrischer Pfad mit dem zweiten Schalter (S2) geschaltet, der einen spannungsteilenden Abgriff (KM) an dem Stützspeicher (SP2) aufweist. Eine Schnittstelle des ersten Gleichspannungssteliers ist mit dem Knotenpunkt (K1) und eine weitere Schnittstelle mit dem Potential (K3) des Stützspeichers und der Hochleistungsverbraucher verbunden.
Der Abgriff (KM) teilt den Speicher (SP2) in einen ersten Teilspeicher (SP2a) und in einen zweiten Teilspeicher (SP2b). Parallel zum Stützspeicher (SP2) sind die
Hochleistungsverbraucher (V2) angebunden. Das zweite Teilbordnetz weist eine
Nennspannungslage zwischen 20 Volt und 60 Volt, in diesem Ausführungsbeispiel von 48 Volt auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist der Stützspeicher als Superkondensatormodul ausgeführt, das in Gestalt des ersten Teilspeichers ein Superkondensatorteilmodul mit der Nennspannungslage 12 Volt und in Gestalt des zweiten Teilspeichers ein
Superkondensatorteilmodul mit der Nennspannungslage 36 Volt aufweist. Die
Superkondensatorteilmodule sind jeweils aus einer Reihenschaltung von mehreren
Superkondensatorzellen gleicher Einzelzellnennspannungslage aufgebaut. Bei einer
Zellnennspannungslage von etwa 2 Volt besteht der erste Teilspeicher aus sechs
Superkondensatorzellen und der zweite Teilspeicher aus 18 Superkondensatorzellen. Alternativ zu den Superkondensatorzellen können auch Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden.
Unabhängig von einem Betriebszustand des Stützspeichers weisen die das erste Teilmodul bildenden Superkondensatorzellen eine im Wesentlichen gleiche Einzelzellspannung auf, die als erste Teilmodulspannung bezeichnet wird, und die das zweite Teilmodul bildenden
Superkondensatorzellen eine im Wesentlichen gleiche Einzelzellspannung, die als zweite Teilmodulspannung bezeichnet wird.
Als Hochleistungsverbraucher (V2) können jene Verbraucher zusammengefasst sein, die einen kurzzeitig hohen Leistungsbedarf anfordern. Dies sind etwa elektrische Fahrwerkskomponenten wie z.B. eine elektrische Lenkung oder eine elektrische Wankstabilisierung des Fahrzeugs bei einem Fahrmanöver, z.B. Ausweichen bei hoher Geschwindigkeit. In Fig. 1 ist der optionale Generator (G) als 12 Volt-Generator ausgelegt, in Fig. 2 ist der optionale Generator als 48 Volt- Generator mit einem Betriebsbereich von beispielsweise 36 - 52V ausgelegt. Der Starter (S), der in Fig. 1 und Fig. 2 ebenfalls einen kurzzeitig hohen Leistungsbedarf anfordert, ist in das erste Teilbordnetz integriert und nicht von den Hochleistungsverbrauchern (V2) umfasst.
Bei regulärem Fahrbetrieb kann der erste Schalter (S1) geschlossen und der zweite Schalter (S2) geöffnet sein. Dies bedeutet, dass die Verbraucher (V1) des ersten Teilbordnetzes von dem Bordnetzspeicher elektrisch gespeist und spannungsbezogen gestützt und zusätzlich entweder über den zweiten Gleichspannungssteiler (DC2) aus dem Hochvoltbordnetz oder von dem Generator (G) mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Hochleistungsverbraucher des zweiten Teilbordnetzes werden von dem Stützspeicher (SP2) elektrisch gespeist und spannungsbezogen gestützt und zusätzlich entweder über den zweiten Gleichspannungssteiler (DC2) und dem ersten Gleichspannungssteiler (DC1) aus dem Hochvoltbordnetz oder - nach Fig. 1 - von dem Generator (G) über den ersten
Gleichspannungssteiler (DC1) oder - nach Fig. 2 - von dem Generator (G') mit elektrischer Energie versorgt.
Der reguläre Fahrbetrieb ist in Fig. 3 als (A) gekennzeichnet. Die Querachse (1) bezeichnet die Zeit, die Hochachse die Spannung. Der Verlauf (3) bezeichnet die Einzelzellspannungsiage der den ersten Teilspeicher bildenden Zellen, d.h. die erste Teilmodulspannung, der Verlauf (4) bezeichnet die Einzelzellspannungsiage der den zweiten Teilspeicher bildenden Zellen, d.h. die zweite Teilmodulspannung. Im regulären Fahrbetrieb (A) sind diese beiden
Einzelzellspannungslagen infolge des geöffneten Schalters (S2) im Wesentlichen vergleichbar.
Bei einer Leistungsanforderung durch den Starter (S) wird nach Fig. 1 und Fig. 2 der erste Schalter (S1 ) geöffnet und der zweite Schalter (S2) geschlossen. Das heißt, dass der Starter im Moment des Starts zwar vom Bordnetzspeicher gespeist wird, jedoch vom ersten Teilbordnetz entkoppelt ist. Dieser Betrieb wird als Zustartbetrieb bezeichnet. Die Verbraucher (VI) werden aus dem ersten Teilmodul (SP2a) elektrisch gespeist und spannungsbezogen gestützt. Dies bedeutet, dass zu einer vom zweiten Teilmodul (SP2b) unabhängigen Entladung des ersten Teilmoduls (SP2a) kommen kann. Somit weisen die das erste Teilmodul bildenden
Superkondensatorzellen im Vergleich zu den das zweite Teilmodul bildenden
Superkondensatorzellen einen niedrigeren Ladezustand und eine geringere Einzelzellspannung auf. Dieser Zustand wird als unequilibriert bezeichnet. Auch ein Zustand, bei dem die das erste Teilmodul bildenden Superkondensatorzellen im Vergleich zu den das zweite Teilmodul bildenden Superkondensatorzellen einen höheren Ladezustand und eine höhere
Einzelzellspannung aufweisen, ist unequilibriert.
Als Schalter (S1) und (S2) können Halbleiterschalter eingesetzt werden. Bei Einstellung des Zustartbetriebs aus dem regulären Fahrbetrieb heraus ist es vorteilhaft, zunächst den zweiten Schalter (S2) zu schließen und danach - idealerweise in einem Zeitfenster in der
Größenordnung Millisekunden- den ersten Schalter (S1) zu öffnen, so dass die elektrischen Verbraucher (V1) durchgehend spannungsbezogen gestützt sind.
In Fig. 3 ist der Zustartbetrieb als (B) bezeichnet. Mit zunehmender Zeit kommt es zu einer Drift zwischen der Einzelzellspannungslage der den ersten Teilspeicher bildenden Zellen und der Einzelzellspannungslage der den zweiten Teilspeicher bildenden Zellen.
Nach einer Betätigung des Starters (S) wird in Fig. 1 und Fig. 2 der erste Schalter (S1) geschlossen. Auch der zweite Schalter (S2) verbleibt zunächst geschlossen. Der Zustand bei geschlossenem ersten Schalter (S1) und bei geschlossenem zweiten Schalter (S2) wird als Equilibrierung bezeichnet, und ist in Fig. 3 als Betriebsart (C) gezeigt.
Bei der Equilibrierung wird eine Ladungsangleichung zwischen den unequilibrierten
Teilspeichern (SP2a) und (SP2b) angestrebt. Im equilibrierten Zustand weisen alle die beiden Teilspeicher bildenden Superkondensatorzellen eine vergleichbare Einzelzellspannung auf.
Die Equilibrierung kann in Fig. 1 und Fig. 2 durch ein gezieltes Entladen des zweiten
Teilspeichers erfolgen, wenn die den ersten Teilspeicher bildenden Superkondensatorzellen im Vergleich zu den den zweiten Teilspeicher bildenden Superkondensatorzellen einen niedrigeren Ladezustand und eine geringere Einzelzellspannung aufweisen. Das Entladen des zweiten Teilspeichers (SP2b) kann über den zweiten Gleichspannungssteller in das erste Teilbord netz erfolgen. Diese Entladung wird so lang aufrecht erhalten, bis die Einzelzellspannung der den zweiten Teilspeicher bildenden Zellen die Einzelzellspannung der den ersten Teilspeicher bildenden Zellen erreicht hat.
Alternativ kann die Equilibrierung durch gezieltes Laden des zweiten Teilspeichers erfolgen, wenn die den ersten Teilspeicher bildenden Superkondensatorzellen im Vergleich zu den den zweiten Teilspeicher bildenden Superkondensatorzellen einen höheren Ladezustand und eine höhere Einzelzellspannung aufweisen. Dann kann der zweite Teilspeicher über den ersten Gleichstromsteüer bei geschlossenem zweiten Schalter durch Anlagen eines Ladepotentials zwischen dem Mittenabgriff (KM) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) durch den ersten
Gleichstromsteller geladen werden. Die Ladung wird so lange aufrecht erhalten, bis die
Einzelzellspannung der den zweiten Teilspeicher bildenden Zellen die Einzelzellspannung der den ersten Teilspeicher bildenden Zellen erreicht hat. Nach Fig. 2 kann die Ladung zur
Equilibrierung alternativ über den Generator (G1) erfolgen.
Gemäß Fig. 3 führt die Equilibierung (C), bei welcher der zweite Teilspeicher in diesem
Ausführungsbeispiel entladen wird, zu einer Angleichung zweiten Teilmoduispannung an die erste Teilmodulspannung.
Im equilibrierten Zustand in Fig. 1 und Fig. 2 wird der zweite Schalter (S2) geöffnet. Somit ist im equilibrierten Zustand der erste Schalter (S1) geschlossen und der zweite Schalter (S2) geöffnet. Dies entspricht der Einstellung im regulären Fahrbetrieb und ist in Fig. 3 als (A) gekennzeichnet. Im equilibrierten Zustand kann der Stützspeicher über den bidirektionalen Gleichspannungssteiler (DC1 ) geladen werden, indem ein Ladepotential am Knotenpunkt (K3) angelegt wird. Die Ladeleistung stammt dabei aus dem ersten Teilbord netz oder zusätzlich über den zweiten Gleichspannung ssteller (DC2) aus dem Hochvoltbordnetz oder - im Falle von Fig. 1 - über den Generator (G). Im Fall von Fig. 2 kann die Ladeleistung auch vom Generator (G') stammen. Nur im equilibrierten Zustand sind beide Teilspeicher effizient ladbar, da es andernfalls in einer Reihenschaltung von Superkondensatorzellen zu einem verstärkten Abfall des Ladepotentials an den stärker geladene Superkondensatorzellen zu Lasten der schwächer geladenen Superkondensatorzellen käme. Auf diese Weise würde auch der unequilibrierte Zustand weiter verstärkt.
Zusätzlich zu dieser Ausführungsform ist nach einer alternativen Ausführungsform bei regulärem Fahrbetrieb gemäß Fig. 1 und Fig. 2 der erste Schalter (S1) geöffnet und der zweite Schalter (S2) geschlossen. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, falls ein Hybridfahrzeug im regulären Fahrbetrieb in einem Zustand befindlich ist, bei dem der Antrieb bei stillstehendem Verbrennungsmotor elektrisch gespeist wird. Dann speist der Stützspeicher die
Hochleistungsverbraucher (V2) und der erste Teilspeicher die elektrischen Verbraucher (V1). Damit ist in dieser Situation die Schaltkonfiguration des Zustartbetriebs, d.h. erster Schalter (S1) geöffnet und zweiter Schalter (S2) geschlossen, bereits im regulären Fahrbetrieb voreingestellt. Dies bietet den Vorteil geringerer Anforderungen an die Schaltpräzision der beiden Schalter (S1 ) und (S2). Es können beispielsweise Relais eingesetzt werden.
Die Architektur aus Fig. 1 und Fig. 2 bietet den Vorteil, dass unabhängig vom Fahrzeugtypus ICEV, PHEV, HEV oder BEV im zweiten Teilbordnetz Hochleistungsverbraucher (V2) versorg bar sind unter Aufrechterhaltung einer stabilen Spannungslage im ersten Teilbordnetz (V1) bei hoher Versorgungsqualität in beiden Teilbordnetzen. Diese Versorgungsqualrtät wird auch bei einem Zustart des Verbrennungsmotors aufrecht erhalten, was durch die Verschattung der beiden Teilbord netze in Kombination mit den Schalterstellungen in Abhängigkeit von Betriebsarten des Fahrzeugs gewährleistet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeug mit einem ersten Teiibordnetz und mit einem zweiten Teilbordnetz, welches an zumindest einem ersten Knotenpunkt (Kl) elektrisch mit dem ersten Teilbordnetz verbunden ist, wobei das erste Teilbordnetz eine erste Gruppe von elektrischen
Verbrauchern (V1) umfasst und das zweite Teilbordnetz eine zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern (V2) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste Teilbordnetz einen Starter (S) umfasst,
- das erste Teilbordnetz einen dem Starter parallel geschalteten Bordnetzspeicher (SP1) umfasst,
das erste Teiibordnetz einen ersten Schalter (S1 ) zwischen der ersten Gruppe von
Verbrauchern und dem elektrischen Bordnetzspeicher umfasst,
das zweite Teilbordnetz einen ersten Gleichspannungssteiler (DC1) umfasst, der zweiten Gruppe von elektrischen Verbrauchern ein elektrisches Stützspeichermodul
(SP2) an einem zweiten Knotenpunkt (K2) parallel geschaltet ist,
- eine Schnittstelle des ersten Gleichspannungsstelle rs mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist,
das Stützspeichermodul einen elektrischen Mittenabgriff (KM) aufweist, und
der Mittenabgriff über einen zweiten Schalter (S2) mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist.
2, Fahrzeug nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Stützspeichermodul einen ersten Teilspeicher (SP2a) und einen zweiten
Teilspeicher (SP2b) elektrisch in Reihe umfasst, und
der Mittenabgriff sich zwischen dem ersten Teilspeicher und dem zweiten Teilspeicher befindet. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug über eine von dem Starter startbare, verbrennungskraftmotonsche Einheit verfügt, und
das Fahrzeug als Verbrennungskraftfahrzeug mit einem Generator (G) ausgebildet ist, der mit dem ersten Knotenpunkt oder mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist, oder das Fahrzeug als Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder Hybridfahrzeug (HEV) mit einem Hochvoltbord netz, das über einen zweiten Gleichspannungssteiler (DC2) mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist, ausgebildet ist, oder
das Fahrzeug als Elektrofahrzeug mit einem Range-Extender-Motor und mit einem Hochvoltbord netz, das über einen zweiten Gieichspannungssteiler (DC2) mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist, ausgebildet ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Teilbordnetz und der erste Teilspeicher jeweils eine Nennspannungslage zwischen 9 Volt und 16 Volt aufweisen, und
das zweite Teilbordnetz eine Nennspannungslage zwischen 12 Volt und 60 Volt aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stützspeichermodul als Superkondensatorzellen aufgebaut ist, oder
das Stützspeichermodul aus Lithium-lonen-Zellen aufgebaut ist.
6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- von dem Fahrzeug ein Fahrbetrieb einnehmbar ist, bei welchem der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, oder bei welchem der erste Schalter geöffnet und der zweiten Schalter geschlossen ist,
- von dem Fahrzeug ein Zustartbetrieb einnehmbar ist, bei welchem der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, und
- von dem Fahrzeug ist ein Equilibrierbetrieb einnehmbar, bei welchem der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geschlossen ist
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