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Die
Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem
Primärsystem,
welches einen Generator, eine Bordnetzbatterie und mindestens einen
Verbraucher aufweist. Darüber
hinaus umfasst das Bordnetz auch ein Sekundärsystem, welches eine Energiespeichereinheit
und einen Spannungswandler aufweist, wobei der Spannungswandler
mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist. Die Erfindung
betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs.
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Zur
Energieversorgung eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug weist das
Bordnetz in der Regel einen Generator auf, der von einem Verbrennungsmotor
des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Neben dem Generator umfasst
ein derartiges Bordnetz auch eine zusätzliche Bordnetzbatterie, welche
als zusätzlicher Energiespeicher
erforderlich ist. Diese Bordnetzbatterie wird vorrangig beim Startvorgang
des Verbrennungsmotors belastet. Bei modernen Kraftfahrzeugen nimmt
die Anzahl der elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug stetig
zu. Neben den herkömmlichen
elektrischen Verbrauchern, wie Lichteinheiten, Klimaanlagen und
Audiosystemen, werden zukünftig auch
zusätzliche
Displays sowie andere Energieverbraucher im Kraftfahrzeug angeordnet
sein, wodurch außerdem
auch die Anzahl von zusätzlichen
Steuergeräten
ansteigt. Um einer Energieversorgung dieser Geräte und Komponenten gerecht
zu werden, müssen
der Generator sowie die Bordnetzbatterie entsprechend dimensioniert
werden.
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Die
Druckschrift
DE 103
50 523 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, bei welchem
zwei Generatoren eingesetzt werden. Dabei ist am Ausgang eines ersten
Generators eine erste Spannung und am Ausgang eines zweiten Generators
eine zweite Spannung bereitstellbar. Dabei ist die zweite Spannung
mindestens so groß wie
die erste Spannung. Mit dem Ausgang des zweiten Generators sind über jeweils
eine Schaltervorrichtung mindestens zwei Verbraucher koppelbar.
Wesentlich ist, dass die beiden Verbraucher auf die Versorgung mit
einer Spannung ausgelegt sind, die größer ist als die erste Spannung,
wobei immer nur ein einzelner der beiden Verbraucher mit dem Ausgang
des zweiten Generators leitend und ohne Zwischenschaltung weiterer Regeleinheiten
verbunden ist.
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Die
Druckschrift
WO 02/066293
A1 offenbart ein Bordnetz mit einem mit einer Brennkraftmaschine mechanisch
verbundenen Starter-Generator. Es ist ferner ein bidirektionaler
AC/DC-Wandler vorgesehen, welcher über einen ersten Schalter mit
einem Akkumulator und über
einen zweiten Schalter mit einem Doppelschichtkondensator verbindbar
ist. Der Akkumulator ist entweder über eine Regelschaltung mit
dem Doppelschichtkondensator verbunden, oder der Akkumulator und
der Doppelschichtkondensator sind über einen dritten Schalter
und einen vierten Schalter mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler und
mit einem zweiten Akkumulator verbunden.
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Aus
der
DE 103 42 178
A1 ist ein Bordnetz zur Versorgung elektrischer Verbraucher
in einem Fahrzeug bekannt. Das Bordnetz umfasst einen Primärstromkreis
und einen Sekundärstromkreis.
Der Primärstromkreis
umfasst einen Superkondensator, einen Generator, einen Anlasser
und weitere Hochspannungsverbraucher. Im Sekundärstromkreis ist eine Batterie
angeordnet, wie auch elektrische Verbraucher mit geringer Leistungsaufnahme.
Zur Übertragung
der Energie ist ein uni- oder bidirektionaler DC/DC-Wandler vorgesehen.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
19 953 373 B4 eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung
in einem Kraftfahrzeug bekannt. Zur Spannungsversorgung bzw. Energieversorgung
von zumindest zwei Verbrauchern, welche derart ausgelegt sind, dass
sie nie gleichzeitig eingeschaltet sind, ist ein unidirektionaler DC/DC- Wandler mit variabler
Ausgangsspannung beschrieben, dessen Ausgangsspannung abhängig von
den Erfordernissen des zu versorgenden Verbrauchers geregelt wird.
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Aus
der
DE 102 08 981
A1 und der
DE
102 08 982 A1 sind jeweils Kraftfahrzeuge mit jeweils zwei
Bordnetzen unterschiedlicher Spannungshöhe und entsprechend zwei Batterien
beschrieben. Bei den in diesen Offenlegungsschriften beschriebenen Zweispannungsbordnetzen
wird eine höhere
Spannung durch den Generator erzeugt und über einen Spannungswandler
eine niedrigere Spannung generiert, wobei dieser Spannungswandler
auch bidirektional ausgeführt
sein kann.
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Des
Weiteren ist aus der
EP
1 013 506 B1 ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem
Primärsystem
und einem Sekundärsystem
beschrieben. Das Primärsystem
umfasst einen Generator sowie eine Bordnetzbatterie und mindestens
einen Verbraucher. Das Sekundärsystem
umfasst einen Super-Cap und einen DC/DC-Wandler der mit dem Super-Cap
verbunden ist und derart ansteuerbar ist, dass der Super-Cap im
Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs geladen wird. Alle bekannten Systeme
sind in ihren Ausführungen
beschränkt
ausgebildet und ermöglichen
daher nur eine suboptimale Energieversorgung von Verbrauchern und
Komponenten in einem Kraftfahrzeug.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug
sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bordnetzes bereitzustellen,
welches ein effektiveres und effizienteres Energiemanagement im
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeordneten Verbraucher und Komponenten
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Bordnetz, welches die Merkmale nach Patentanspruch
1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch
9 aufweist, gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Bordnetz
für ein Kraftfahrzeug
weist ein Primärsystem
auf, welches einen Generator, eine Bordnetzbatterie und mindestens
einen Verbraucher umfasst. Darüber
hinaus weist das Bordnetz auch ein Sekundärsystem auf, welches eine Energiespeichereinheit
und einen Spannungswandler umfasst, wobei der Spannungswandler mit
der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist. Ein wesentlicher
Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der Spannungswandler bidirektional
ausgebildet ist und zum Erzeugen einer bedarfsabhängigen höheren Spannung
als die vom Generator erzeugbare Spannung ausgebildet ist, wobei
das Sekundärsystem
auch einen Verbraucher aufweist, welcher mit dem Spannungswandler
elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler erzeugbare
höhere
Spannung mit elektrischer Spannung versorgbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz
kann somit eine effektive und effiziente Energieversorgung von Verbrauchern
und Komponenten im Kraftfahrzeug gewährleistet werden. Der bidirektionale
Spannungswandler kann somit für
die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in der Energiespeichereinheit
verwendet werden und darüber
hinaus für
die Energieversorgung eines Verbrauchers herangezogen werden, welcher eine
höhere
Spannung benötigt,
als die maximal vom Generator erzeugbare Spannung. In vorteilhafter Weise
ist somit bei dem erfindungsgemäßen Bordnetz
die Verwendung eines bidirektionalen Spannungswandlers für mehrere
Funktionen optimiert.
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Der
Verbraucher ist in bevorzugter Weise als Heizeinrichtung, insbesondere
als Scheibenheizung, insbesondere als Frontscheibenheizung, ausgebildet.
Der bidirektionale Spannungswandler ist in vorteilhafter Weise zur
Rekuperation im Bordnetz und zur Spannungsversorgung der Heizeinrichtung
ausgebildet. Da die Leistungsanforderungen für die Rekuperation und die
Spannungsversorgung einer Heizeinrichtung sehr ähnlich sind, kann mit der Erfindung
ein effektives Energiemanagement im Kraftfahrzeug gewährleistet
werden.
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In
bevorzugter Weise ist der bidirektionale Spannungswandler nach Ablauf
einer Zeitdauer der Spannungsversorgung der Heizeinrichtung oder
bei deaktivierter Heizeinrichtung zum Aufladen der Energiespeichereinheit
mit Energie in Schub- und/oder Bremsphasen des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
Dadurch kann die Bordnetzbatterie entlastet werden und der Kraftstoffverbrauch
des Kraftfahrzeugs reduziert werden.
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Der
bidirektionale Spannungswandler ist in vorteilhafter Weise zum Entladen
der zumindest teilweise aufgeladenen Energiespeichereinheit zur
Energieversorgung des Verbrauchers des Primärsystems ausgebildet. In effektiver
Weise kann somit die in der Energiespeichereinheit gespeicherte
Energie zur Versorgung von Verbrauchern insbesondere des Primärsystems
herangezogen werden. Auch dadurch kann gewährleistet werden, dass die
Belastung der Bordnetzbatterie des Primärsystems entlastet wird. Es
kann auch vorgesehen sein, dass die in der Energiespeichereinheit
gespeicherte Energie zumindest teilweise für die Energieversorgung des
zumindest einen Verbrauchers des Sekundärsystems verwendet wird.
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Die
Energiespeichereinheit ist in bevorzugter Weise als Super-Cap ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass in die elektrische Verbindung zwischen
der Energiespeichereinheit und dem Spannungswandler ein erster Schalter
geschaltet ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass in die elektrische
Verbindung zwischen dem Verbraucher des Sekundärsystems, insbesondere der
Heizeinrichtung, und dem Spannungswandler ein zweiter Schalter geschaltet
ist. Situations- und bedarfsabhängig
kann somit eine elektrische Verbindung der Energiespeichereinheit
und/oder des zumindest einen Verbrauchers des Sekundärsystems
mit dem Spannungswandler erzeugt werden, wobei insbesondere der erste
Schalter zum Trennen der elektrischen Verbindung dann vorgesehen
ist, wenn Beschädigungen der
elektrischen Leitung oder der elektrischen Einheiten, beispielsweise
durch eine Lichtbogenbildung, auftreten können.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, welches ein Primärsystem
mit einem Generator, einer Bordnetzbatterie und mindestens einem Verbraucher
aufweist, und mit einem Sekundärsystem,
welches eine Energiespeichereinheit und einen Spannungswandler aufweist,
welcher mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist,
wird als wesentlicher Gedanke der Erfindung, der Spannungswandler
bidirektional ausgebildet und durch diesen Spannungswandler eine
höhere
Spannung als die vom Generator erzeugte Spannung bedarfsabhängig erzeugt.
Das Sekundärsystem
weist zumindest einen Verbraucher auf, welcher mit dem Spannungswandler
elektrisch verbindbar ist und durch die vom Spannungswandler erzeugbare
höhere
Spannung mit elektrischer Spannung versorgt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht einen
effizienten und effektiven Energieverteilungsprozess in dem Bordnetz
des Kraftfahrzeugs und gewährleistet
darüber
hinaus die Verwendung eines bidirektionalen Spannungswandlers, welcher
quasi multifunktional ausgebildet bzw. eingesetzt ist.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte Ausführungen
des erfindungsgemäßen Bordnetzes
sind, soweit übertragbar,
auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
anzusehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung
näher erläutert. Die einzige 1 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bordnetzes.
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In
der Darstellung in 1 ist ein erfindungsgemäßes Bordnetz
eines Kraftfahrzeugs gezeigt, welches ein Primärsystem 1 und ein
Sekundärsystem 2 auf weist.
Das Primärsystem 1 umfasst
im Ausführungsbeispiel
einen Generator G, welcher zur Erzeugung von Spannungen bis etwa
14 V ausgebildet ist. Der Generator G weist einen Generatorregler 11 auf,
mit welchem der Generator G geregelt wird. Der Generatorregler 11 ist über einen
Widerstand 12 mit Massepotential elektrisch verbunden.
Darüber
hinaus weist das Primärsystem 1 eine
Bordnetzbatterie 13 auf, welche mit dem Ausgang des Generators
G elektrisch verbunden ist. Die Bordnetzbatterie 13 ist zur
Erzeugung von Spannungen bis etwa 12 V ausgebildet. Darüber hinaus
umfasst das Primärsystem 1 auch
einen Verbrennungsmotor M, welcher über einen als Schalter symbolisch
dargestellten Starter 14 mit dem Ausgang des Generators
G elektrisch verbindbar ist. Ferner umfasst das Primärsystem 1 im Ausführungsbeispiel
einen weiteren Verbraucher 15, welcher über einen Schalter 16 mit
dem Ausgang des Generators G und somit mit der Ausgangsspannung des
Generators G elektrisch verbindbar ist.
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Das
Sekundärsystem 2 des
erfindungsgemäßen Bordnetzes
weist einen Spannungswandler auf, welcher im Ausführungsbeispiel
als DC/DC-Wandler 21 ausgebildet ist. Der DC/DC-Wandler 21 ist
mit dem Primärsystem 1,
insbesondere mit dem Verbraucher 15, dem Motor M, der Bordnetzbatterie 13 und
dem Generator G elektrisch verbunden. Darüber hinaus umfasst das Sekundärsystem 2 eine
Energiespeichereinheit, welche im Ausführungsbeispiel als Super-Cap 22 ausgebildet
ist und über
einen ersten Schalter 23 mit dem DC/DC-Wandler 21 elektrisch
verbunden ist. Ferner umfasst das Sekundärsystem 2 einen Verbraucher auf,
welcher im Ausführungsbeispiel
als folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 ausgebildet
ist, wobei diese folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 über einen
zweiten Schalter 25 mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 21 elektrisch
verbindbar ist. Der DC/DC-Wandler 21 ist bidirektional
ausgebildet und zur Erzeugung von Ausgangsspannungen im Bereich
von etwa 14 V bis 42 V ausgebildet. An dem DC/DC-Wandler 21 ist
ein Steuersignal 3 anlegbar, wobei darüber hinaus auch ein Signal 4 des
Generatorreglers 11 an den DC/DC-Wandler 21 übertragbar
ist. Das Signal 4 kann dabei den Auslastungsgrad des Generators
G charakterisieren, wobei abhängig
davon die Spannungshöhe
des DC/DC-Wandlers 21 generierbar ist.
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Gemäß der Erfindung
wird durch den DC/DC-Wandler 21 eine Ausgangsspannung erzeugt,
welche wertmäßig höher liegt,
als die Spannung, welche maximal vom Generator G erzeugt werden
kann. Der DC/DC-Wandler 21 wird gemäß der Erfindung durch seine
bidirektionale Ausbildung sowohl zur Energieversorgung der folienbeschichteten elektrischen
Frontscheibenheizung 24 als auch zur Rekuperation im Bordnetz
des Kraftfahrzeugs herangezogen.
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Die
Funktionsweise des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Erfindung wird nachfolgend näher
beschrieben. Wie bereits erwähnt,
wird die Regelung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 21 durch
Signale 3 und 4 durchgeführt, welche über entsprechende
Signalleitungen an den DC/DC-Wandler 21 übertragen
werden. Die Regelung dieser Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 21 kann
dabei von mehreren Parametern abhängig gemacht werden, wobei
diesbezüglich
beispielsweise die Generatorauslastung zu Grunde gelegt werden kann.
Es kann auch die Generatorspannung, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
der Ladezustand des Super-Cap 22, die Umgebungstemperatur
oder aber auch die Heizungsanforderung berücksichtigt werden. Anstatt
oder ergänzend
dazu kann auch ein Bremssignal und/oder ein Signal, welches den
Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs charakterisiert, berücksichtigt
werden. Diese Signale werden durch nicht dargestellte Steuergeräte bereitgestellt
und an den DC/DC-Wandler 21 übertragen.
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Befindet
sich nun das Kraftfahrzeug im Brems- und/oder Schubbetrieb, so wird
der DC/DC-Wandler 21 derart angesteuert, dass der Super-Cap 22 geladen
wird. Wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 gezeigt,
kann die folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 während einer
derartigen Aufladephase des Super-Cap 22 von dem Ausgang
des DC/DC-Wandlers 21 getrennt sein. Es kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass der zweite Schalter 25 während der
Aufladephase des Super-Cap 22 zumindest zeitweise geschlossen
ist.
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Die
im Super-Cap 22 gespeicherte elektrische Energie kann unabhängig vom
Ladezustand dieses Super-Cap 22 durch entsprechende Steuerung
an denjenigen Ausgang des DC/DC-Wandlers 21 abgegeben werden,
welcher mit dem Primärsystem 1 elektrisch
verbunden ist. Insbesondere in Phasen in denen der Generator G eine
ausreichende Energieversorgung des gesamten Bordnetzes des Kraftfahrzeugs
nicht gewährleisten
kann, wird der DC/DC-Wandler 21 derart angesteuert, dass
der Super-Cap 22 entladen wird. Dadurch kann eine übermäßige Belastung
der Bordnetzbatterie 13 verhindert werden. Die Auslastung
des Generators G wird über den
Generatorregler 11 erkannt und ein entsprechendes Signal 4 an
den DC/DC-Wandler 21 übertragen. Die
zumindest teilweise Abgabe der im Super-Cap 22 gespeicherten
Energie über
den DC/DC-Wandler 21 an
das Primärsystem 1 erfolgt
in bevorzugter Weise im Anschluss an eine Schub- und/oder Bremsphase des
Kraftfahrzeugs. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest ein
Teil der im Super-Cap 22 gespeicherten Ener gie nach einer
Schub- und/oder Bremsphase des Kraftfahrzeugs unmittelbar an die
folienbeschichtete elektrische Frontscheibenheizung 24 übertragen
wird.
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Nach
dem Beenden einer derartigen Schub- und/oder Bremsphase des Kraftfahrzeugs
kann somit bedarfsabhängig
die im Super-Cap 22 gespeicherte Energie an das Primärsystem 1 über den DC/DC-Wandler 21 abgegeben
werden. In vorteilhafter Weise wird die Belastung des Verbrennungsmotors
M durch den Generator G in Beschleunigungsphasen des Kraftfahrzeugs
verringert um dadurch eine bessere Beschleunigung des Kraftfahrzeugs
erreichen zu können.
Dazu wird der DC/DC-Wandler 21 derart angesteuert, dass
der Super-Cap 22 zumindest
teilweise entladen wird. Abhängig
davon, wie viel Energie im Super-Cap 22 gespeichert ist,
kann dieser somit kurzfristig die gesamte Energieversorgung des
Primärsystems 1 übernehmen.
Dadurch kann die Belastung des Generators G verhindert werden und
es geht somit am Generator G keine Motorleistung verloren.
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Weitere
Möglichkeiten
in denen der Super-Cap 22 geladen werden kann, sind darin
zu sehen, dass dieser Super-Cap 22 kennfeldabhängig geladen
werden kann. Dies bedeutet, dass sich sobald der Verbrennungsmotor
M in einem ungünstigen Betriebszustand
hinsichtlich Wirkungsgrad und Abgasverhalten befindet, dieser Super-Cap 22 geladen wird.