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DE102007024200A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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DE102007024200A1
DE102007024200A1 DE102007024200A DE102007024200A DE102007024200A1 DE 102007024200 A1 DE102007024200 A1 DE 102007024200A1 DE 102007024200 A DE102007024200 A DE 102007024200A DE 102007024200 A DE102007024200 A DE 102007024200A DE 102007024200 A1 DE102007024200 A1 DE 102007024200A1
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Sie enthält einen Drehstromgenerator, der einen eine Erregerwicklung aufweisenden Erregerkreis und eine mehrere Phasenwicklungen aufweisende erste Ständerwicklungsgruppe aufweist. Weiterhin ist ein mit dem Drehstromgenerator verbundenes erstes Teilbordnetz vorgesehen, in welchem erste Verbraucher angeordnet sind und welches über eine erste Gleichrichteranordnung an die erste Ständerwicklungsgruppe angeschlossen ist. Weiterhin ist ein mit dem Drehstromgenerator verbundenes zweites Teilbordnetz vorgesehen, in welchem zweite Verbraucher angeordnet sind. Der Drehstromgenerator enthält ferner eine mehrere Phasenwicklungen aufweisende zweite Ständerwicklungsgruppe, an welche über eine zweite Gleichrichteranordnung ein zweites Teilbordnetz angeschlossen ist. Weiterhin sind die beiden Teilbordnetze über einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, welche einen Drehstromgenerator, der einen eine Erregerwicklung aufweisenden Erregerkreis und eine mehrere Phasenwicklungen aufweisende erste Ständerwicklungsgruppe aufweist, ein mit dem Drehstromgenerator verbundenes erstes Teilbordnetz, in welchem erste Verbraucher angeordnet sind und welches über eine erste Gleichrichteranordnung an die erste Ständerwicklungsgruppe angeschlossen ist, und ein mit dem Drehstromgenerator verbundenes zweites Teilbordnetz, in welchem zweite Verbraucher angeordnet sind, aufweist.
  • Stand der Technik
  • Zum Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gehören sowohl Niederstromverbraucher als auch Hochstromverbraucher. Niederstromverbraucher sind beispielsweise Steuergeräte, Sensormodule und Signalerfassungsmodule. Hochstromverbraucher sind beispielsweise der Starter, die Frontscheibenheizung, eine elektrische Lenkung und eine Katalysatorheizung des Fahrzeugs.
  • Die Spannungsversorgung eines derartigen Bordnetzes erfolgt unter Verwendung eines Generators und der Fahrzeugbatterie. Dabei belasten die Hochstromverbraucher das Bordnetz in erheblichem Maße. Sie verursachen aufgrund hoher Verbraucherströme Spannungseinbrüche, Spannungsüberhöhungen und eine erhöhte EMV-Abstrahlung. Aus diesem Grund werden alle Verbraucher des Bordnetzes gegenüber diesen Störungen robust ausgelegt. Diese robuste Ausle gung hat zur Folge, dass die genannten Verbraucher sowohl im Hinblick auf ihre eigene Funktion als auch im Hinblick auf ihre eigene Störeinkopplung überdimensioniert sind. Diese Notwendigkeit der Überdimensionierung ist mit hohen Kosten verbunden.
  • Zur Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile ist es bereits bekannt, das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in zwei Teilbordnetze aufzuteilen. Das erste Teilbordnetz enthält die Niederstromverbraucher wie Steuergeräte, Sensormodule und Signalerfassungsmodule. Diese können aufgrund ihrer begrenzten Störeinkopplung enger dimensioniert werden, was zu Kostenvorteilen führt. Das zweite Teilbordnetz enthält die Hochstromverbraucher. Dieses zweite Teilbordnetz lässt größere Spannungsschwankungen zu. Die in diesem zweiten Teilbordnetz befindlichen Verbraucher sind für diese größeren Spannungsschwankungen ausgelegt. Das zweite Teilbordnetz ist zum Zwecke seiner Spannungsversorgung über einen unidirektionalen Gleichspannungswandler an das erste Teilbordnetz angeschlossen. Wünschenswert wäre eine Spannungsversorgung des zweiten Teilbordnetzes unter Verwendung eines eigenen Generators. Dies scheitert aber bei Kraftfahrzeuganwendungen an dem beschränkten Platzangebot im unmittelbaren Anbauraum des Verbrennungsmotors.
  • Aus der DE 198 38 296 A1 ist ein elektrisches Spannungsversorgungssystem bekannt. Dieses weist einen Phasenwicklungen umfassenden Drehstromgenerator auf, der mit einer Batterie verbindbar ist und über Gleichrichterelemente und einen Spannungswandler mit Verbrauchern in Verbindung steht. Die Batterie ist mit einer Seite der Phasenwicklungen des Generators verbunden. Die Gleichrichterelemente stehen mit der anderen Seite der Phasenwicklungen des Generators in Verbindung. Die Batterie ist Bestandteil eines ersten Bordnetzes, welches 12 V-Verbraucher aufweist. Weitere Verbraucher, die mit dem Spannungswandler verbindbar sind, sind Bestandteil eines zweiten Bordnet zes, das eine gegenüber der Nennspannung der Batterie höhere Spannung aufweist. Das zweite Bordnetz enthält 42 V-Verbraucher.
  • Vorteile der Erfindung
  • Eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber mehrere Vorteile auf. So werden über einen einzigen Generator zwei Teilbordnetze direkt versorgt, wobei dieser Generator einen einzigen Erregerkreis und zwei voneinander isolierte Ständerwicklungsgruppen aufweist. Das Einbauvolumen eines derartigen Mehrspannungsgenerators ist nur wenig größer als das Einbauvolumen eines herkömmlichen Einspannungsgenerators. Des Weiteren ist nur ein Generator über den Keilriemen des Kraftfahrzeugs anzutreiben. Mehrgeneratorlösungen sind demgegenüber – sofern ein Antrieb mit einem Keilriemen überhaupt möglich ist – mit einer höheren Keilriemenbelastung verbunden und verursachen höhere Kosten. Die beiden Teilbordnetze können gleiche oder unterschiedliche Nennspannungen aufweisen. Auf einen leistungsstarken Gleichspannungswandler für die Versorgung des zweiten Teilbordnetzes allein aus dem ersten Teilbordnetz kann verzichtet werden.
  • Vorzugsweise sind die beiden Teilbordnetze über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt. Dieser bidirektionale Gleichspannungswandler wird zwar nicht als Hauptenergieversorger eines der beiden Teilbordnetze benötigt, kann aber im Falle einer Unterspannung in einem der Teilbordnetze zu einer Einspeisung aus dem anderen Teilbordnetz und im Falle einer Überspannung zu einer Abführung des Stromes in das andere Teilbordnetz verwendet werden. Des Weiteren stellt der bidirektionale Gleichspannungswandler eine Ersatzspannungsquelle für jedes der beiden Teilbordnetze dar. Weist beispielsweise die Ständerwicklung einer der Ständerwick lungsbaugruppen eine Unterbrechung auf, dann kann die Versorgung des zugehörigen Teilbordnetzes abhängig von der Leistung des Gleichspannungswandlers zumindest teilweise über den Gleichspannungswandler erfolgen.
  • Vorzugsweise werden die Spannungen der beiden Teilbordnetze wie folgt geregelt:
    • a) Die Spannung am Ausgang der ersten Gleichrichteranordnung, die der ersten Ständerwicklungsgruppe nachgeschaltet ist, wird über den Strom in der Erregerwicklung geregelt.
    • b) Die Spannung am Ausgang der zweiten Gleichrichteranordnung, die der zweiten Ständerwicklungsgruppe nachgeschaltet ist, wird zum einen durch den oben erwähnten Strom durch die Erregerwicklung und zum anderen durch die Einspeisung bzw. Abführung des Stromes über den Gleichspannungswandler bestimmt. Die Regelung der Spannung wird hier aber durch die Höhe des Stromes (Zu- bzw. Abführung) durch den Gleichspannungswandler vollzogen.
  • Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Zeichnung.
  • Zeichnung
  • Die 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung.
  • Beschreibung
  • Die in der 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen Generator 1. Zu diesem gehören ein Erregerkreis 2, eine erste Ständerwicklungsgruppe 8, eine zweite Ständerwicklungsgruppe 12, eine erste Gleichrichteranordnung 22, ei ne zweite Gleichrichteranordnung 29 und ein erster Spannungsregler 34.
  • Der Erregerkreis 2 weist einen Transistor 3 und eine mit dem Kollektor dieses Transistor verbundene Erregerwicklung 4 auf.
  • Die erste Ständerwicklungsgruppe 8, die mit dem Erregerkreis 2 zusammenwirkt, besteht aus drei Phasenwicklungen 5, 6 und 7, die Form einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind. Die zweite Ständerwicklungsgruppe 12, die ebenfalls mit dem Erregerkreis 2 zusammenwirkt, weist drei Phasenwicklungen 9, 10 und 11 auf, die ebenfalls in Form einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind.
  • Die Ausgänge der ersten Ständerwicklungsgruppe 8 sind mit einer als Gleichrichterbrücke realisierten ersten Gleichrichteranordnung 22 verbunden, zu welcher Dioden 16, 17, 18, 19, 20 und 21 gehören. An die Ausgänge der zweiten Ständerwicklungsgruppe 12 ist eine als Gleichrichterbrücke realisierte zweite Gleichrichteranordnung 29 angeschlossen, zu welcher Dioden 23, 24, 25, 26, 27 und 28 gehören.
  • Des Weiteren ist zwischen den Ausgang 36 der ersten Gleichrichteranordnung 22 und den Erregerkreis 2 der erster Spannungsregler 34 geschaltet, welcher zur Regelung der am Ausgang 36 der ersten Gleichrichteranordnung bereitgestellten Gleichspannung vorgesehen ist. Diese am Ausgang 36 bereitgestellte Gleichspannung, die beispielsweise 12 V beträgt, dient als Versorgungsgleichspannung für ein erstes Teilbordnetz 13. Diesem gehören erste Verbraucher 14, bei denen es sich um Niederspannungsverbraucher handelt, und ein erster Energiespeicher 15 an.
  • An den Ausgang 37 der zweiten Gleichrichteranordnung 29 ist ein zweites Teilbordnetz 30 angeschlossen. An diesem Ausgang 37 wird eine Gleichspannung bereitgestellt, die als Versorgungsgleichspannung für das zweite Teilbordnetz 30 dient und beispielsweise 42 V beträgt. Dem zweiten Teilbordnetz 30 gehören Hochstromverbraucher 31 und ein zweiter Energiespeicher 32 an.
  • Die beiden Teilbordnetze 13 und 30 sind über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler 33 miteinander gekoppelt. Zwischen den Ausgang 37 der zweiten Gleichrichteranordnung 29 und den bidirektionalen Gleichspannungswandler 33 ist ein zweiter Spannungsregler 35 geschaltet.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung stellt der Drehstromgenerator 1 einen Zweispannungsgenerator dar, der an seinen Ausgängen 36 und 37 zwei Gleichspannungen zur Verfügung stellt. Bei diesen Gleichspannungen kann es sich – wie im Zusammenhang mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert wurde – um Gleichspannungen mit verschiedenen Größen handeln. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel können an den Ausgängen 36 und 37 des Drehstromgenerators 1 aber auch Gleichspannungen gleicher Größe bereitgestellt werden. Diese Gleichspannungen werden von einem einzigen Generator bereitgestellt, welcher einen Erregerkreis und zwei gegeneinander isolierte Ständerwicklungsgruppen aufweist. Die Ständerwicklungsgruppen weisen jeweils drei sternförmig miteinander verschaltete Phasenwicklungen auf.
  • Die beiden vom Generator bereitgestellten Gleichspannungen dienen zur Spannungsversorgung zweier verschiedener Teilbordnetze. Diese können – wie bereits ausgeführt wurde – mit Gleichspannungen derselben Größe oder alternativ dazu mit Gleichspannungen unterschiedlicher Größen versorgt werden.
  • Zur Spannungsregelung der beiden Teilbordnetze sind zwei voneinander unabhängige Spannungsregler vorgesehen. Der erste Spannungsregler 34 ist zwischen den Ausgang der ersten Gleichrichteranordnung 22 und den Erregerkreis 2 geschaltet und verändert den durch die Erregerwicklung 4 fließenden Erregerstrom in Abhängigkeit von der am Ausgang 36 bereitgestellten Gleichspannung. Der zweite Spannungsregler 35 ist zur Regelung der Versorgungsspannung für das zweite Teilbordnetz 30 vorgesehen und beeinflusst diese über den bidirektionalen Gleichspannungswandler 33, über welchen die beiden Teilbordnetze miteinander gekoppelt sind. Das zweite Teilbordnetz 30 erfährt beim Vorliegen einer Unterspannung eine Einspeisung über den Gleichspannungswandler und beim Vorliegen einer Überspannung eine Abführung des Stromes über den Gleichspannungswandler in das erste Teilbordnetz.
  • Aufgrund des zwischen die beiden Teilbordnetze geschalteten bidirektionalen Gleichspannungswandlers 33 ist bezüglich der Spannungsversorgung der beiden Teilbordnetze jeweils eine Redundanz gegeben. Tritt beispielsweise in einer der Ständerwicklungsgruppen des Generators eine Unterbrechung auf, dann erfolgt die Spannungsversorgung des zugehörigen Teilbordnetzes über den Gleichspannungswandler.
  • Alternativ zu einem Zweispannungsgenerator kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für die Erfindung auch ein Drei-, Vier- oder allgemein ein Mehrspannungsgenerator realisiert werden, welcher drei, vier oder noch mehr Ständerwicklungsgruppen aufweist. Damit können drei, vier oder noch mehr Teilbordnetze mit Gleichspannungen gewünschter Amplituden versorgt werden. Dabei bedarf es eines Spannungsregelungssystems, bei welchem eine Regelung aller Teilbordnetze über eine Regelung des Erregerstromes erfolgt und bei welchem darüber hinaus eine Regelung der Versorgungsspannungen der einzelnen Teilbordnetze über die zwischen den Teilbordnetzen vorgesehenen Gleichspannungswandler vorgenommen wird.
  • Die Regelungseingriffe können fest vorgegeben sein. Alternativ dazu kann im Falle sehr großer Abweichungen einer der Versorgungsspannungen von ihrem Nominalwert auch eine Umschaltung in dem Sinne erfolgen, dass die Regelung dieser abweichenden Versorgungsspannung durch eine Regelung des Erregerstromes vorgenommen wird und die Regelung der anderen Versorgungsspannungen unter Verwendung der Gleichspannungswandler erfolgt.
  • Alternativ zu einer Sternschaltung können die Wicklungen der Ständerwicklungsgruppen jeweils auch in Form einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet sein. Eine weitere Alternative besteht darin, die Wicklungen der ersten Ständerwicklungsgruppe in Form einer Sternschaltung und die Wicklungen der zweiten Ständerwicklungsgruppe in Form einer Dreieckschaltung miteinander zu verschalten.
  • Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch mehr als zwei Ständerwicklungsgruppen aufweisen, die jeweils über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt sind.
  • Eine weitere Alternative besteht darin, zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbordnetz einen unidirektionalen Gleichspannungswandler anzuordnen. Dies ist dann von Vorteil, wenn die Grundlast des zweiten Teilbordnetzes durch seine Verbraucher stets größer ist als der Strom, der in der zweiten Ständerwicklungsgruppe bei maximalem Erregerstrom induziert werden kann. Die Einspeiserichtung des Gleichspannungswandlers verläuft in diesem Falle in Richtung des zweiten Teilbordnetzes.
  • Nach alledem stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung, bei welcher das Bordnetz in mehrere Teilbordnetze aufgeteilt ist und bei welcher mittels eines einzigen Drehstromgenerators mehrere voneinander unabhängige Versorgungsspannungen generiert werden.
  • Der Drehstromgenerator weist einen einzigen Erregerkreis und mehrere Ständerwicklungsgruppen auf. Diese sind jeweils über eine Gleichrichteranordnung mit einem Ausgang des Generators und dem daran angeschlossenen Teilbordnetz verbunden. Der Platzbedarf eines derartigen Mehrspannungsgenerators ist nur wenig größer als der Platzbedarf eines herkömmlichen Einspannungsgenerators. Ein weiterer Vorteil eines Mehrspannungsgenerators gemäß der Erfindung besteht darin, dass über den Keilriemen des Kraftfahrzeugs nur ein Generator angetrieben werden muss, so dass die Keilriemenbelastung vergleichsweise gering bleibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Hauptversorgung mehrerer Teilbordnetze jeweils direkt von einem Generator und nicht unter Verwendung eines ansonsten benötigten leistungsstarken, unidirektionalen Gleichspannungswandlers.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19838296 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, mit – einem Drehstromgenerator (1), der einen eine Erregerwicklung (4) aufweisenden Erregerkreis (2) und eine mehrere Phasenwicklungen (5, 6, 7) aufweisende erste Ständerwicklungsgruppe (8) enthält, – einem mit dem Drehstromgenerator (1) verbundenen ersten Teilbordnetz (13), in welchem erste Verbraucher (14) angeordnet sind und welches über eine erste Gleichrichteranordnung (22) an die erste Ständerwicklungsgruppe (8) angeschlossen ist, und – einem mit dem Drehstromgenerator (1) verbundenen zweiten Teilbordnetz (30), in welchem zweite Verbraucher (31) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Drehstromgenerator (1) eine mehrere Phasenwicklungen (9, 10, 11) aufweisende zweite Ständerwicklungsgruppe (12) enthält und – das zweite Teilbordnetz (30) über eine zweite Gleichrichteranordnung (29) an die zweite Ständerwicklungsgruppe (12) angeschlossen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilbordnetze (13, 30) über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (33) miteinander gekoppelt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Spannungsregler (34) aufweist, der zwischen die erste Gleichrichteranordnung (22) und den Erregerkreis (2) geschaltet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Spannungsregler (35) aufweist, der zwischen die zweite Gleichrichteranordnung (29) und den Gleichspannungswandler (33) geschaltet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgängen (36, 37) der beiden Gleichrichteranordnungen (22, 29) Gleichspannungen gleicher Größe anliegen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgängen (36, 37) der beiden Gleichrichteranordnungen (22, 29) Gleichspannungen verschiedener Größen anliegen.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklungsgruppen (8, 12) jeweils drei oder mehr Phasenwicklungen aufweisen, die in Form einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständewicklungsgruppen jeweils drei oder mehr Phasenwicklungen aufweisen, die in Form einer Dreieckschaltung verschaltet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklungsgruppen jeweils drei oder mehr Phasenwicklungen aufweisen, wobei die Phasenwicklungen der ersten Ständerwicklungsgruppen in Form einer Sternschaltung und wobei die Phasenwicklungen der zweiten Ständerwicklungsgruppe in Form einer Dreieckschaltung verschaltet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als zwei Ständerwicklungsgruppen aufweist, die jeweils über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt sind.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Spannung einer ersten Ständerwicklungsgruppe durch den Erregerstrom auf die Regelung der Spannung der zweiten Ständerwicklungsgruppe umschaltbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilbordnetze über einen unidirektionalen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt sind.
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