DE102007026165A1

DE102007026165A1 - Schaltvorrichtung für Bordnetz eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102007026165A1
Application number: DE102007026165A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Ipgate AG
Current assignee: Ipgate AG
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum elektrischen Verbinden mehrerer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einer elektrischen Energiequelle, wobei die Schaltvorrichtung mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Schalter aufweist, wobei der Schalter mehrere Schaltstellungen hat und bei den verschiedenen Schaltstellungen jeweils verschiedene Verbraucher einzeln, zusammen oder in vorgegebenen Gruppen mit der mindestens einen Energiequelle verbindbar oder von dieser trennbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum elektrischen Verbinden mehrerer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einer elektrischen Energiequelle.
Stand der Technik
Dem Kraftfahrzeugbordnetz kommt in Zukunft wachsende Bedeutung zu. Durch die zunehmende Nutzung der Energierückgewinnung zur Kraftstoffeinsparung z. B. bei Start-Stop und Rekuperation, muss das Bordnetz zusätzlichen Anforderungen gerecht werden. Zusätzlich sollen die Batterieausfälle, die nach einer ADAC-Statistik bis zu 30% der Fahrzeugausfälle ausmachen, deutlich verringert werden. Lösungen mit UltraCap, wie diese in den DE 10213105.8 , WO 02/080334 A3 , EP 1410482 , DE 10250488.1 , DE 10305939.3 und DE 10313081.0 beschrieben sind, bieten hierfür eine Basis.
Im Augustheft der Zeitschrift „Autmomobil-elektronik" des Verlages „moderne industrie" sind weitere Gründe für Batterieausfälle beschrieben, sowie das Batteriemanagement und der Ein satz von UltraCap's (UCap). Ein guter Ansatz zur Reduzierung der Batterieausfälle durch Einsatz eines Batteriesensors und Abschaltung von Verbrauchern ist im Audi A6 (Baujahr 2006) realisiert. Zudem ist ein Steuergerät für Energie- und Ruhestrommanagement (ERM) beschrieben.
Eine weitere Problematik ist die Abschaltung von Batterie oder UltraCap als Energiespeicher bei einem Crash. Bekannt sind hier Batterietrennschalter. Eine in sich geschlossene Gesamtlösung für Energie-, Power- und Ruhestrommanagement ist jedoch noch nicht bekannt. Z. B. sind bei der Anwendung von UCap und weiterer Verbesserung vom Bordnetz Powerschalter und zusätzliche Abschaltpfade notwendig. Die Anwendung von Leistungshalbleitern ist wegen der relativ hohen Widerstände bzw. Verlustleistung und der Leckströme, insbesondere bei schadhaften Halbleitern, welche wiederum die Batterie entleeren, kritisch.
Das zukünftige Bordnetzkonzept mit Power-, Energie-, Ruhestrom- und Signalmanagement muss folgende Aufgaben erfüllen:
Energiemanagement:

a. bedarfsgerechte und
b. situationsgerechte Steuerung der Generatorleistung

zu a. abhängig von Verbraucherlast, Batterieladung, Ausgleich der Leckströme bei mehreren Speichern, z. B. UCap von Batterie
zu b. Rekuperation in entsprechendem Speicher, Steuerung der Generatorleistung bei Beschleunigung oder Energieeinspeisung und Energierückspeisung bei und nach Rekuperation, ggf. Anhebung der Generatorspannung.
Ziel: min. Kraftstoffverbrauch

Powermanagement:

• Leistungsverteilung in einzelne Strompfade und deren Absicherung gegen Kurzschluss;
• Leistungsverteilung im Mehrspannungsbordnetz;
• Starten des Fahrzeugs;
• Schaltung der Bordnetzkomponenten bei Ausfall wie Generator oder Batterie z. B. zur Sicherstellung der Funktion der Anzeigen oder Bremse;
• Fremdstart;
• Verpolschutz;
• Abschaltung der Strompfade bei Crash;
• Absicherung Bordnetz gegen Impulsbelastung und Überspannung;
• min. el. Verluste und min. Kabelsatzgewicht.

Ziel: fehlersichere Schaltung ohne Brandgefahr

Ruhestrommanagement:

• Batteriezustandserkennung, z. B. SOC (Ladung), SOC (Zellenzustand);
• Überwachung der Strompfade auf Ruhestrom und Abschaltung bei Überschreitung der Grenzwerte;
• zeitliche Überwachung der Ruhestromverbraucher;
• Erkennung von Fehlbedienung und entsprechende Abschaltung;
• stufenweise Abschaltung von Ruhestromverbrauchern.

Ziel: Min. Batterieausfall Standzeit Fahrzeug größer 6 Monate mit Startfähigkeit. Nach dem Stand der Technik sind Einzelbereiche von o. g. bereits gelöst, jedoch kein ganzheitliches Konzept, hierzu gehört auch ein Mehrspannungsbordnetz.

Signal- oder Kommunikationsmanagement:

• Stand der Technik ist die Vernetzung von Steuergeräten mit CAN, LIN und MOST Busprotokoll;
• Neuerdings kommt FlexRay für höhere Geschwindigkeiten und Fehlersicherheit zum Einsatz.

Ziel: Reduzierung des Kabelsatzes und Varianten-Darstellung hoch komplexer Funktionen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltvorrichtung für ein Bordnetz mit den zuvor beschriebenen Anforderungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Schaltvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltvorrichtung gemäß Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Durch den vorteilhaften Einsatz eines elektromotorisch betriebenen Schalters, insbesondere in Form einer Schaltwalze, kann eine zentrale elektronische Steuerung für das Power-, Energie- und Ruhestrommanagement die Zu- und Abschaltung von Ruhestrom, Normal- und Notfahrverbraucher, des Starters und Generators, sowie des elektrischen Energiespeichers durch Ansteuerung des Antriebs des Schalters vornehmen. Der Einsatz des Schalters ermöglicht das Schalten hoher Ströme bei kleinem Kontaktwiderstand. Zudem ist eine hohe Zuverlässigkeit des Schalters gegeben. Die Schaltkontakte des Schalters sind vorteilhaft bistabil ausgebildet, so dass lediglich zwei stabile Schaltzustände für jeden Schaltkontakt existieren. Die Zu- und Abschaltung von Generator, Starter und Energiespeicher erfolgt mit hoher Flexibilität für die Konzeption des Bordnetzes.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung kann vorteilhaft in ein Bordnetz der Zukunft eingesetzt werden, wobei der Schalter mit seinem mindestens einen Antrieb in einem Modul angeordnet wer den kann. In diesem Modul kann zudem die Steuerelektronik angeordnet werden, wodurch sich vorteilhaft kurze Signalwege und eine kompakte und kostengünstige Bauweise ergibt. Die Steuerelektronik kann zudem mit Hilfe eines Batteriesensors die Ladung der Batterie überwachen.
In dieses Modul können die notwendigen Sicherungen integriert werden.
Die Schaltvorrichtung kann für ein 1-Spannungsbordnetz sowie für ein Mehrspannungs-Bordnetz verwendet werden.
Ebenso kann die Schaltvorrichtung zusammen mit weiterer Bordelektronik, wie z. B. DC/DC-Konverter, in einem Modul zusammen angeordnet werden.
Das die Schaltvorrichtung aufweisende Modul kann zudem das zentrales Gateway aufweisen.
Beim Bordnetz ist zudem ein Verpolschutz für Fremdstart und Batterieanschluss und damit zentraler Verpolschutz für das gesamte Bordnetz und Elektronik vorzusehen.
Das vorbeschriebene Modul kann vorteilhaft direkt am Energiespeicher angebaut bzw. angeordnet werden.
Das vorbeschriebene Konzept mit Power- und Energiemanagement hat folgende Vorteile:

• weniger Batterieausfälle durch Abschaltung der Batterie im Normalbetrieb, Energiespeicherung und Ausgleich über Ucap;
• sichereres und schnelles Starten mit höherer Spannung;
• zentrales Ruhestrommanagement, zentrale Steuerung des Bordnetzes über PSM mit kleinen Ruheströmen und bistabilen Schalterfunktionen;
• Gewichtsreduzierung durch kleinere Batterie und im Leitungssatz, teilweise Entfall von Sicherungsdosen;
• erhöhte Sicherheit gegen Brandgefahr durch Abschalten der Energiespeicher z. B. bei Crash;
• Kostenreduzierung durch Entfall der Relais und Vorsicherungsdosen, Verringerung des Leitungssatzes und zentraler Verpolschutz. Die Verpolschutzmaßnahmen in den vielen Steuergeräten und Komponenten entfallen. Alle Schalter und Steuerfunktionen werden zentral im PSM erledigt;
• Funktionen von Start-Stop, Rekuperation und besseren Wirkungsgrad im Generator und gesamten Energiemanagement bringen erhebliche Kraftstoffverbrauchsreduzierung;
• höhere Zuverlässigkeit durch redundante Funktionen bei den Schaltern und Betätigung.

Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen mögliche Ausgestaltungen von Bordnetzen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung näher erläutert.
Es zeigen:
1 Aufbau eines Powerschaltmoduls (PMS) mit integrierter erfindungsgemäßer Schaltvorrichtung und Steuereinrichtung;
2 mögliche Ausgestaltung der Kontaktbetätigung der Schaltvorrichtung;
3 räumliche Anordnung des Moduls am Energiespeicher;
4 ein 1-Spannungsbordnetz mit Powerschaltmodul;
5 ein 2-Spannungsbordnetz mit Powerschaltmodul und drei Energiespeichern;
6 ein 2-Spannungsbordnetz mit zwei Energiespeichern und Starteranordnung über Mosfet.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Powerschaltmoduls (PSM) für ein 1-Spannungsbordnetz, welches Anschlüsse für die nachfolgend aufgeführten Verbraucher aufweist:

1–4: Ruhestromverbraucher wie z. B. Radio, Standheizung, Telefon, el. Diebstahlwarnung
5: Anschluss Hecksicherungsdose
6: Klasse 15 Verbraucher z. B. aktiviert über Zündschloss Hier bietet es sich an, die entsprechenden Sicherungen der Klasse 15 Verbraucher 6a–6e in den PSM zu integrieren, ebenso die Ausgänge für 8, 9 und 18 und 19

7: Starter und Generator
8: Bremssysteme
9: Motorlüfter
10: Reserve-Pin
11: PTC-Heizung
12: Frontsicherungsdose
13: Lichtsensor
14: Türkontakt
15: Zündschloss
16: Temparatursensor von Batterie
17: Busanschluss z. B. auch für Generatorregler
18: Frontsicherungsdose
19: Hecksicherungsdose

In dieser Darstellung ist die gesamte Schaltung in einem Modul PSM zusammen gefasst, und die Schaltkontakte S_i werden über eine zentrale Schaltwalze 29 betätigt, welche von den Antrieben 30, 30a angetrieben ist. Es ist selbstverständlich möglich mehr als eine Schaltwalze 29 im Modul vorzusehen. Ebenso ist es möglich, dass mehr als ein Modul PSM im Kraftfahrzeug angeordnet ist, wobei jedes Modul einen elektromotorisch betriebenen Schalter aufweist. Zusätzlich zur Schaltwalze können auch Relais oder Leistungshalbleiter vorgesehen verwendet werden.
Der Ausgang 5 ist mit der Hecksicherungsdose 18 und 12 mit der Frontsicherungsdose 19 und Anschluss 20 ist mit dem Fremdstartstützpunkt verbunden. Dieser ist über Schalter S_F mit dem Bordnetz und der Verpolschutzdiode 21 mit der el. Schaltung 22 verbunden. Damit ist der PSM über den Fremdstarteingang verpolgeschützt. Bekanntlich können hier im Service Fehlbedienungen auftreten, die großen Schaden anrichten. Deshalb sind alle Steuergeräte und Komponenten verpolgeschützt. Dasselbe gilt für den Batterieanschluss 23, der über Schalter S_B vom Bordnetz und über die Verpolschutzdiode 21a von der elektrischen Schaltung getrennt ist. Bei einem Konzept mit UCap 24 ist die Batterie 25 vorzugsweise im hinteren Teil des Fahrzeugs untergebracht. Zur Batterieüberwachung ist vorzugsweise ein Temperatursensor 16a mit der Batterie integriert. Der Generator speist über Leitung 7 das Bordnetz und den UCap 24 als Energiespeicher. An diese Leitung 7 ist die Hauptversorgungsleitung 26 angeschlossen, welche über übliche Shunts und den Schaltern S1–S11 alle Verbraucher über entsprechende Strompfade anschließt. Der Shunt bietet sich zur Stromüberwachung an, so dass bei unplausiblem Strom über die Schalter der entsprechende Ausgang abgeschaltet werden kann, was z. B. bei Kurzschluss oder Crash, aber auch zur Überwachung des Ruhestroms von Bedeutung ist.
Die Funktion von Generatorbatterie, UCap und DC/DC-Konverter 28 wird in 4 erklärt. Die Schaltkontakte werden über die Schaltwalze 29 betätigt, welche vorzugsweise über 2 redundante Elektromotoren 30, 30a angetrieben ist, die über einen Positionsgeber 31 in die gewünschte Position geregelt werden können. Diese Aufgabe übernimmt die elektrische Schaltung 22, welche abhängig von den Bordnetzsignalen 15–17, und Signalen die über die Busleitung eingespeist werden, die entsprechende Schalterkombination ansteuert.
Die elektrische Schaltung 20 übernimmt alle Schaltfunktionen für Energie-, Power- und Ruhestrommanagement.
Für Energiemanagement:

• Steuerung der Generatorleistung und -spannung;
• Erfassung der Verbraucherlast;
• Batterieladung;
• Rekuperation in entsprechenden Speicher.

Für Powermanagement:

• Überwachung der einzelnen Strompfade und ggf. Abschaltung bei Kurzschluss 3;
• Bereitstellung der entsprechenden Schalterstellung zum Starten;
• dto.bei Fremdstart;
• Verpolschutz;
• Abschaltung der Strompfade bei Crash.

Für Ruhestrom (abgestelltes Fahrzeug):

• Batteriezustandserkennung;
• Überwachung der Strompfade und ggf. Abschaltung bei unplausiblem Strom;
• zeitliche Überwachung und ggf. Abschaltung der Ruhestandsverbraucher;
• Erkennung von Fehlbedienung z. B. Parklicht und entsprechende Abschaltung;
• stufenweise Abschaltung.

Darüber hinaus umfasst die Schaltung 20 eine Sicherheitsschaltung für gravierende Bordnetzausfälle z. B. bei a.) Batterie- und b.) Generatorausfall zur Sicherheit des Fahrers und des Fahrzeugs.
Bei einem Batterieausfall stellt die Sicherheitsschaltung sicher, dass die Aktivierung der Gangsperre oder Parkierbremse vor Motorabstellung erfolgt. Zudem werden entsprechende Hinweise auf Anzeigen und Display dem Fahrer mitgeteilt.
Bei einem Generatorausfall stellt die Sicherheitsschaltung sicher, dass die Funktionssicherheit der Anzeigen gewährleistet ist. Zudem werden Bedienungshinweise vor Abstellen des Motors über die Anzeigen ausgegeben. Sofern die Batterie fast leer ist, muss noch genügend Stromreserve vorhanden sein, dass bei automatischer Motorabstellung noch eine genügend große Stromreserve für Gangsperre und Parkierbremse vorhanden ist.
Für die oben aufgeführten Funktionen kommuniziert die elektrische Schaltung 20 über die Busleitung 17 mit anderen Systemen wie z. B. Anzeigeninstrument, Motorsteuerung, Bremse, Diebstahlwarnung, Keyless-Go-Systemen. Zur Minimierung des Ruhestromverbrauchs bietet sich an, die Systeme Zugangs- und Fahrberechtigung und Diebstahlwarnung zu integrieren, damit nur noch ein Ruhestromverbraucher bei längerer Fahrzeugstilllegung übrig bleibt. Damit bleibt die Batterie über viele Monate aktiv.
Das Powerschaltmodul PSM wird vorzugsweise an den Energiespeicher angebaut, z. B. UCap 24, über den das Power- und Energiemanagement abläuft, z. B. entspr. 3, angeordnet. Das Powerschaltmodul PSM ersetzt hierbei eine Vielzahl von Relais oder Leistungshalbleitern und Bordnetzsteuergeräte, wie sie heute eingesetzt werden. Für die Abschaltung von Ruhestromverbrauchern oder auch bei Crash sind bistabile Relais oder Schalter notwendig, um das Bordnetz oder die Batterie zu sichern. Die elektrische Schaltung 22 übernimmt die bistabile Abschaltung der Verbraucher bei Crash, Kurzschluss oder Ruhestromverbraucher in Abhängigkeit des Ladungszustandes der Batterie.
Die einzelnen Strompfade sind mit der el. Schaltung verbunden deren Steuerleitungen 44 mit Pfeilen gekennzeichnet sind. Üblicherweise wird nach der Batterie eine sog. Vorsicherungsdose eingeschaltet, welche die Hauptverbraucher Sicherungskasten und Leistungsverbraucher wie Motorlüfter (800 W) und PTC-Heizung (1500 W) absichert. Diese ist aufwändig und benötigt viel Einbauvolumen, was nunmehr im Powerschaltmodul PSM integriert ist, mit dem zusätzlichen Vorteil der individuellen Zu- und Abschaltung. Über die Leistungsschalter S_B und S_K können die Energiespeicher 24 und 25 vom Bordnetz getrennt werden, was die Brandgefahr insbesondere bei Crash reduziert. Diese Powerschalter werden heute als separate Batterietrennschalter verwendet, sind aber aufwändig. Z. B. kann über Strompfad 11 ein leistungsstarker PCT geschaltet werden, der konventionell über ein Relais oder Hochstromsicherung abgesichert ist. Über das Powerschaltmodul PSM ist dies mit geringem Aufwand möglich. Es ist vorteilhaft, in die elektrische Schaltung 22 die Funktion der Fernbedienung mit Antenne 32 oder keyless entry zu integrieren, da diese Funktion bei den Ruhestromabschaltungen 1–4 zuletzt abgeschaltet werden soll, sofern der Ladezustand der Batterie sehr gering ist. Durch beschriebene Integrationen im Powerschaltmodul PSM können sehr viele Leitungen eingespart werden, wodurch nicht nur die Ausfallrate verringert, sondern auch Kosten und Gewicht eingespart werden. In dem Schaltmodul sind somit ganzheitlich alle wesentlichen Funktionen des Power-, Energie- und Ruhestrommanagements zusammen gefasst.
Da diese Schaltung die zentrale Schaltzentrale für das gesamte Bordnetz darstellt, ist es zweckmäßig hier auch das zentrale Gateway zu integrieren. Weiterhin ist es, insbesondere für kleinere Fahrzeuge, vorteilhaft, die Funktionen der Fahrzeuggrundschaltungen im Powerschaltmodul PSM zu integrieren. Hierbei sind die Funktionen für Scheibenwischer, Licht, Heizung Kombiinstrument (hier die Master-Rechnerfunktionen, bei denen die ausgelagerten Anzeigen und Instrumente Slaves darstellen) zu nennen.
Die 2 zeigt die Anordnung der Schaltwalzen 29, 29a, welche über entsprechende Nocken 29n die Übertragungshebel mit der Kontaktfeder 34 anheben und damit den Kontakt 35 von der Auflage 36 abhebt. Damit der Kontakt eine schnelle Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit erfährt, wird hier ein im Gehäuse 41 befestigter Permanentmagnet 37 mit Gegenpol 38 an der Kontaktfeder 34 im Gehäuse 41 eingesetzt, welcher die Kontaktkraft bestimmt. Über den Permanentmagnet entsteht der bekannte Schnappeffekt sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen. Durch den geringen Abstand des P-Magnet zum Kontakt trägt dessen Magnetfeld zu einer Verringerung der Lichtbogenbildung bei. Auf der linken Seite ist ein Hochstromkontakt z. B. für 1000 A gezeichnet, der trotz geringem Übergangswiderstand eine Erwärmung erfährt, die über die Mäanderfeder 39 abgeführt wird und fallweise mit einem isolierten Kühlkörper 40 verbunden werden kann. Auf der rechten Bildhälfte ist ein Normalkontakt < 50 A gezeichnet. Zur Verringerung des Motorantriebsmomentes kann im Übertragungshebel eine Rolle 42 vorgesehen werden. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und kleiner Verlustleistung und damit geringerer Erwärmung sind die Kontakte redundant ausgebildet, was bei diesem Konzept einen geringen Mehraufwand durch Stanzgitter bedeutet, so dass konsequent die Ansteuerung der E-Motore, die parallel geschalteten Motore 30, 30a mit separatem oder gemeinsamem Getriebe bis zum Kontakt alles redundant gestaltet ist, was eine vernachlässigbare kleine Ausfallrate von < 10^–10 ppm ergeben kann. Vergleichsweise liegt ein Relais mit el. Anschluss und Ansteuerung im Bereich von 10 ppm. Mit kleiner Leistung von einigen W lässt sich eine Umdrehung mit z. B. 10 Schaltstellungen in 0,3 s bewältigen.
Die 3 zeigt den Anbau an den Speicher vorzugsweise UCap. Die Abmessungen B × H sind an der Batterie orientiert, da die Anordnung von PSM und UCap vorzugsweise an Stelle der Batterie im entsprechenden Raum eingesetzt wird. Die Länge L ist relativ gering. Seitlich sind die el. Anschlüsse 7 und 7a gut zugänglich für Starter und Generator hier im Vergleich zu 1 getrennt vorgesehen. Unten nach hinten gerichtet ist die Anschlussleitung 23a zur Batterie mit relativ kleinem Querschnitt verlegt. Oben ist der Fremdstartstützpunkt 20 und der +Anschluss 24a vom UCap vorgesehen. Ebenfalls oben sind zwei Stecker vorgesehen für Power und Signal, Leitungen entsprechend den Ausgängen 1–17 entsprechend 1. Alternativ zur Unterbringung im Batterieraum kann auch der Beifahrerfußraum oder Kofferraum verwendet werden, da auch hier die Entfernung zum Starter und Generator noch gering ist.
Das zukünftige Bordnetz muss für Power und Energiemanagement gerüstet sein, da neben einer Reduzierung der Batterieausfälle Möglichkeiten der Verbrauchsersparnis durch verbesserten Generatorwirkungsgrad, Start-Stop (S-S) und Rekuperation (Rek.) im Vordergrund stehen. Dementsprechend soll der PSM in der Lage sein, viele Konzepte des Power- und Energiemanagements zu realisieren.
Die 3a zeigt eine zukunftsorientierte Anordnung von UCap und PSM zusammen mit einem neuen elektromotorischen Bremskraftverstärker mit Druckmodulation für ABS und ESP, wie er in PCT/EP2006/003647 beschrieben ist. Hier sind die Einbauabmessungen des kleinen Elektromotors 48 z. B. mit 80 mm Durchmesser viel kleiner als von einem Vakuum-Bremskraftverstärker 52 mit 200 bis 250 mm Durchmesser. Bei der beschriebenen neuen Lösung ist in Verlängerung des Motors der Tandem-Hauptzylinder 49 angeordnet, an dessen Seiten der Ventilblock 50 und das Steuergerät 51 für BKV und ESP angeordnet sind. Der frei werdende Raum lässt sich gut für die in Reihe geschalteten UCap-Zellen 56 nutzen, an die seitlich das PSM mit integrierten Sicherungen, entsprechend 1, angebaut ist. Weiterhin kann der freie Raum noch für zusätzliche Steuergeräte 55 mit Stecker 55a z. B. aus dem Body-Bereich oder der passiven Sicherheit genutzt werden. Von dieser Position ist der Abstand zum Generator und Stator sehr klein, so dass nur relativ kleine Querschnitte und damit ein kleines Kabelsatzgewicht notwendig ist. Da der Einbauraum im Motorraum äußerst knapp ist für E/E-Komponenten, was auch oft zur aufwändigen Verlagerung der Batterie mit dicken Leitungen in den Kofferraum führt, ist diese Anordnung von großem Vorteil. Wenn das Starten des Motors über den vorgenannten Energiespeicher erledigt wird, so hat die Batterie nur noch Funktionen mit niedrigen Strömen wie z. B. Notfahren bei Ausfall Generator, Ruhestrom oder Aufladen des UCap. Dann sind die Kabelquerschnitte klein und der Aufwand klein, so dass die Unterbringung im Fahrzeugheck nicht mehr nachteilig in Kosten ist und die Vorteile des zusätzlichen Gewichts auf der Hinterachse voll wirksam sind.
Die 4 zeigt ein Konzept, welches vorwiegend für Start-Stop-Funktion und Minimierung der Batterieausfälle gestaltet ist. Dieses ist auch in 1 bereits ausgeführt und teilweise beschrieben. Dick umrandet ist der Funktionsinhalt des PSM. Um die Belastung der Batterie, insbesondere bei starken Belastungsschwankungen auch durch starke Stromimpulse, gering zu halten, ist die Batterie im Normalfall über den Schalter SB vom Bordnetz getrennt. Ein leistungsstarker Generator versorgt Kreis I über die Leitung 26, indem ein UCap 24 die starken Belastungen abdeckt. Gestartet wird ebenfalls über den UCap. Bei längerem Stillstand lädt ein kleiner DC/DC-Konverter 28 den UCap 24 aus der Batterie 25 auf z. B. 20 V auf, der den Startvorgang insbesondere bei tiefen Temperaturen durch höhere Drehzahl schneller und sicherer gestaltet. Dieser DC/DC-Konverter gleicht auch den Leckstrom des UCap aus bis zu einer Batterieentladung von ca. 10%, danach wird er abgeschaltet, um eine tiefentladene, d. h. nicht mehr ladbare Batterie zu vermeiden. Der DC/DC-Konverter wird vom PSM gesteuert. Durch Starten durch den UCap wird die Batterie nicht mehr durch die hohen Startströme belastet, was zur Folge hat, dass die Lebensdauer erheblich verlängert wird und auch ein Starten bei kleiner Restkapazität noch möglich ist, da ja nur eine kleine Stromstärke zum Aufladen des UCap über den DC/DC-Konverter notwendig ist. Bei der konventionellen Dimensionierung ist ei ne Batterie bei einer Kapazität < 40% bei tiefen Temperaturen nicht mehr startfähig. Die Batterie wird gebraucht beim Fahrzeugstillstand zur Versorgung der Ruhestromverbraucher und zum Notfahren bei Ausfall des Generators oder bei kurzzeitig starker Belastung z. B. durch PTC-Heizung. Dementsprechend muss die Kapazität bemessen werden, was es ermöglicht, die Batterie um mehr als 50% zu reduzieren, was eine erhebliche Bauraum- und Gewichtsreduzierung bedeutet. Dieses Konzept ist auch für Rekuperation geeignet. Da aber für eine effektive Rekuperation mehr als 5 kW notwendig sind, ist dann sowohl der Generator als auch der UCap durch hohe Ströme im Kosten-Nutzen nicht optimal dimensioniert.
Zum Aufladen der Batterie wird der Schalter S_B geschlossen und damit mit dem Generator verbunden. Die Batterieüberwachung vorzugsweise SOC (state of change) und SOH (state of health) übernimmt ein Batteriesensor 43, welcher in Verbindung mit dem in 1 beschriebenen Temperatursensor den richtigen Ladezustand ermittelt, indem die Bilanz der Lade- und Entladeströme erfasst wird und entsprechend die fehlende Ladung zur vollen Kapazität ergänzt wird. Der Temperatursensor kann auch entfallen, da Lade- und Entladeströme gering sind und damit auch die Eigenerwärmung. Damit hat die Batterie beim Einbau im Heckteil ungefähr Außentemperatur. Dadurch ist die Batterie immer voll geladen, was erheblich in die Lebensdauer eingeht. Der PSM versorgt dann, wie in 1 beschrieben, die Ruhestrom- und 14-V-Normalverbraucher des Bordnetzes, welche über einen BUS mit dem PSM kommunizieren. Die Schalter S sind hier nur prinzipiell dargestellt. Dieses Konzept ermöglicht neben einer Reduzierung der Batteriegröße auch eine Reduzierung des Gewichts der Leitungen, da z. B. die Batterieleitung nur für die Leistung der Notfahrverbraucher < 50 A und nicht 1000 A bemessen werden muss. Außerdem kann die Starterleitung kleiner dimensioniert werden, da eine höhere Spannung und ein kleinerer Innenwiderstand des UCap im Vergleich zur Batterie genutzt werden kann. Außerdem kann die Batteriegröße erheblich reduziert werden, da diese nicht mehr zum Starten und im wesentlichen nur zum seltenen Notfahren und zur Versorgung der Ruhestromverbraucher eingesetzt werden. Durch die Konzentration des Ruhestrommanagements auf ein Gerät, dem PSM, kann der Ruhestromverbrauch ebenso reduziert werden. Es wird dadurch trotz kleinerer Batterie die Startfähigkeit von bisher einigen Monaten Fahrzeugstillstand um Faktoren verbessert. Die gestrichelten Linien zeigen Mess- und Steuerleitungen 44 für den PSM, im wesentlichen Spannung und Strom und beim Generator die Steuerung des Spannungsreglers. Im Gegensatz zum konventionellen Bordnetz, bei dem die obere Spannungsgrenze durch die Batterie bestimmt wird, kann hier mit höherer Spannung z. B. 16 V gefahren werden, was bei Rekuperation genutzt werden kann. Hier wird dann der Generator nach Aufladen des UCap anschließend abgeschaltet, bis die Spannung auf z. B. 10 V abfällt. Voraussetzung hierfür ist die Spannungsregelung von spannungsempfindlichen Komponenten wie z. B. Glühlampen, was bereits beim Fahrlicht der Fall ist. Die gestrichelt gezeichneten Linien stellen vorwiegend Spannungs- oder auch Strommesspunkte dar, die von der el. Schaltung 22 verarbeitet werden.
Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein 2-Spannungsbordnetz, welches z. B. in WO 02/080334 A3 in ähnlicher Form beschrieben ist. Hier speist vorzugsweise ein freilaufender Generator in einem Spannungsbereich von 14 bis 50 V das Bordnetz II, an dem über Schalter S die Hochleistungsverbraucher wie Heizungen und EC-Motore angeschlossen sind. Das Bordnetz I wird über einen bidirektionalen DC/DC-Konverter 28 versorgt, der im Normalfall z. B. 500 W und kurzzeitig 1000 W überträgt. Sollten kurzzeitig noch höhere Leistungen benötigt werden, so kann über Schalter S_B und S_R die Batterie zugeschaltet werden. Auch hier ist, wie in 4 beschrieben, im Normalfall die Batterie nicht an das Bordnetz angeschlossen.
Beim Bremsen und Rekuperation wird die Generatorspannung bis auf ca. 60 V freigegeben und dementsprechend wird der UCap 24a als Energiespeicher geladen und anschließend bei abgeschaltetem Generator bis auf ca. 20 V entladen. Diese Spannungsschwankung ertragen die beschriebenen Hochleistungsverbraucher, da z. B. EC-Motore ohnehin stromgeregelt arbeiten. Der zweite UCap 24 ist zum Starten eingeschaltet und wird über den DC/DC-Konverter 28 nach Schließen der Schalter S_B, S_R, S_A und S_C auf ca. 20 V aufgeladen und auch der Leckstrom des UCap 24 aus der Batterie 25 ausgeglichen. Zum Starten sind die Schalter S_C und S_A geschlossen und S_K zum UCap offen, wenn dieser eine zu hohe Spannung hat. Wie in 4 hat die Batterie 25 dieselbe Aufgabe. Ruhestromverbraucher werden über Schließen von S_B, S_R und S versorgt, ebenso beim Notfahren bei ausgefallenem Generator. Der Kreis II wird hier zunächst vom UCap 24a versorgt und bei Erreichen der unteren Spannungsgrenze von z. B. 20 V über den DC/DC-Konverter 28. Wenn die Batterie im hinteren Fahrzeugteil untergebracht ist, ist eine Absicherung der Batterieleitung gegen Kurzschluss durch die Sicherung 45 sinnvoll. Es genügt hier z. B. eine 50 A Sicherung und mit kleinem Leitungsquerschnitt, da die Stromversorgung nur wie in 4 beschrieben für Grenzfälle gebraucht wird. Für die Hochstromschalter im PSM ist, wie auch in 4 und 6 wichtig, dass diese im wesentlichen lastfrei schalten. Dies ist über die Vernetzung der Verbraucher über Bus zum PSM einfach realisierbar, da ein Zu- oder Abschalten erst nach Schalten der PSM-Schalter erfolgt. Zur Entlastung der Schalter z. B. S_C und S_A kann auch kurzzeitig ein Mosfet 46 parallel geschaltet werden. Dieses 2-Spannungsbordnetz hat Vorteile im Generatorwirkungsgrad, beim sog. freilaufenden Generator kann z. B. ein 2,5 kW Generatorgröße ohne weiteres bei 50 V 8 kW leisten, ohne wesentliche Mehrkosten und Gewicht. Weiterhin arbeiten die EC-Motore bei 24 V vorzugsweise mit besserem Wirkungsgrad und haben ein höheres Leistungs-Gewichts-Verhältnis mit zusätzlicher Einsparung an Leitungssatzgewicht. Anstelle der 42 V können auch höhere Spannungen abhängig vom ges. Spannungsbereich ein gesetzt werden. Weiterhin ist die Batterie entlastet vom Starten und stark zyklischer Beanspruchung und hat somit geringe Ausfälle. Der Vorteil des 2. UCap 24 liegt auch entsprechend der kleineren Kapazität im Vergleich zu UCap 24a im kl. Leckstrom.
Bei Verzicht auf Funktionen z. B. S_F entsprechendem Verpolschutz oder Sicherheit z. B. S_K, S_B sind diese Leistungsschalter nicht notwendig.
Die 6 zeigt ebenfalls ein 2-Spannungsbordnetz, jedoch nur mit einem UCap 24 im Kreis II. Die Funktion von DC/DC-Konverter 28 und Schalter entsprechen 5. Der Unterschied liegt in der Ansteuerung des 12V-Starters vom Bordnetz II, d. h. UCap über Mosfet 47 im PWM-Betrieb.
Dadurch kann der Starter unabhängig von der entsprechenden Versorgungsspannung immer mit entsprechendem Strom angesteuert werden.
Damit bieten sich eine Reihe von Potenzialen, den Anlasser zu vereinfachen.
Eine weitere Alternative zum PWM-Betrieb des 12V-Starters ist ein 24V-Starter, der kurzzeitig ähnlich dem Jump-Start des 12V-Starters mit doppelter Spannung – hier mit 48 V – betrieben werden kann, sofern der Speicher voll ist. Damit sind kleinere Querschnitte für den Anlasser notwendig.
Dieses Konzept hat alle Merkmale und Vorteile von 5, ist jedoch einfacher und kostengünstiger. An Stelle von separatem Starter und Generator kann auch ein integrierter Startergenerator (ISG) eingesetzt werden, wobei hier der Mosfet 47 nicht notwendig ist, da die Steuerung im nicht gezeichneten Pulswechselrichter erfolgt.
Die Anwendung des Schaltungskonzepts erfordert für die vielen Funktionen für das Energie-, Power- und Ruhestrommanagements, welche insbesondere mit dem Powerschaltmodul sehr kostengünstig, hoch Zuverlässigkeit bei kleinen elektrischen Verlusten dargestellt werden können.
Als Erweiterung kann auch ähnlich 5 ein gestrichelt gezeichneter zweiter UCap 24a eingesetzt werden, welcher bei längerem Fahrzeugstillstand nur zum Starten eingesetzt wird. In diesem Fall wird nur dieser im Leckstrom ausgeglichen, der wegen der erheblich kleineren Kapazität auch klein ist, da der Leckstrom im wesentlichen abhängt von der Spannung und Kapazität. Auch bei Fremdstart ist dieser über den DC/DC schneller aufgeladen. Ein Vorteil gegenüber der Ausführungsform gemäß 5 ist derselbe Spannungsbereich, so dass dessen Energiespeicherung voll zur Rekuperation genutzt werden kann.

1–4: Ruhestromverbraucher wie z. B. Radio, Standheizung, Telefon, el. Diebstahlwarnung
5: Anschluss Hecksicherungsdose
6: Klasse 15 Verbraucher, z. B. aktiviert über Zündschloss
7, 7a: Starter und Generator
8: Bremssysteme
9: Motorlüfter
10: Einrückrelais
11: PTC-Heizung
12: Frontsicherungsdose
13: Lichtsensor
14: Türkontakt
15: Zündschloss
16, 16a: Temperatursensor von Batterie
17: Busanschluss, z. B. auch für Generatorregler
18: Hecksicherungsdose
19: Frontsicherungsdose
20: Fremdstartstützpunkt
21, 21a: Verpolschutzdiode
22: el. Schaltung
23, 23a: Batterieanschluss und el. Anschluss
24, 24a: UCap und el. Anschluss
25: Batterie
26: Hauptversorgungsleitung
27: Shunts
28: DC/DC-Konverter
29: Schaltwalze
30, 30a: E-Motore
31: Positionsgeber
32: Funkantenne
33: Übertragungshebel
34: Kontaktfeder
35: Kontakt
36: Ausgang 1–12
37: Magnet
38: Gegenpol/Anker
39: Wärmeabfuhr
40: Kühlkörper
41: Gehäuse
42, 42a: Stecker
43: Batteriesensor
44: Mess- und Steuerleitungen
45: Hochstromsicherung
46: Mosfet
47: Startermosfet
48: Elektromotor
49: Tandem-Hauptzylinder
50: Ventilblock
51: Steuergerät für BKV und ESP
52: Umrisskontur von Vakuum-Bremskraftverstärker (BKV)
53: PSM
54: Sicherungen
55: Body Steuergeräte
55a: Stecker
56: Zelle von Energiespeicher, z. B. UCap

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 10213105 [0002]
- WO 02/080334 A3 [0002, 0043]
- EP 1410482 [0002]
- DE 10250488 [0002]
- DE 10305939 [0002]
- DE 10313081 [0002]
- EP 2006/003647 [0040]

Claims

Schaltvorrichtung zum elektrischen Verbinden mehrerer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einer elektrischen Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Schalter aufweist, wobei der Schalter mehrere Schaltstellungen hat, und bei den verschiedenen Schaltstellungen jeweils verschiedene Verbraucher einzeln, zusammen oder in vorgegebenen Gruppen mit der mindestens einen Energiequelle verbindbar oder von dieser trennbar sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter eine Schaltwalze ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen der Schaltwalze um ihre Rotationsachse mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Schaltkontakte nacheinander oder gleichzeitig schaltbar sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter als Hochstromschalter ausgebildet ist.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter Führungskurven, insbesondere Nockenscheiben aufweist, die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Führungskurven insbesondere Nocken aufweisen, die Schaltkontakte verstellen.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaltkontakt ein Rad oder Rolle aufweist, die auf der Führungskurve abrollt.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Führungskurve um ihren Umfang verteilt mehr als einen radialen Vorsprung, insbesondere in Form einer Nocke, aufweist, die mit einem oder zwei Schaltkontakten zusammenwirken und diese je nach Verdrehwinkel der Führungskurve bzw. Nockenscheibe verstellen.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung zusätzliche Relais und/oder Halbleiterschalter aufweist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung mindestens eine Steuereinheit aufweist, die in Abhängigkeit vom Fahrzeugzustand den Schalter unter Ansteuerung des mindestens einen Antriebes verstellt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung mindestens zwei parallel angeordnete redundante Schalter zumindest für die hohen Ströme aufweist, die jeweils von einem Antrieb antreibbar sind.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung an dem Energiespeicher angeordnet ist, der für das Power- und Energiemanagement zuständig ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung in einem Modul angeordnet ist, wobei der Schalter folgende Schaltfunktionen erfüllt: • Strompfade nach außen zu den Verbrauchern bzw. Gruppen • Ruhestromverbraucher, die in mehreren Stufen = Schalterstellungen in Abhängigkeit von SOC des Speichers abgeschaltet werden • nach innen Schaltung von DC/DC zum Laden • nach innen Abtrennung der Speicher • nach innen Parallelschaltung DC/DC bei Ausfall (SA) • Fremdstart • Steuerung der Schalterfunktionen von zentraler Steuerung
Schaltvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul Sicherungen für die einzelnen Verbraucher bzw. Gruppen von Verbrauchern aufweist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung den Strom der einzelnen Pfade für Kurzschlusserkennung, Ruhestrom, Batterieladung und -entladung und/oder Verpolung überwacht.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung die Spannung zur Ermittlung der Spannungslage der Speicher, des Generators und/oder die Spannungslage des Bordnetzes überwacht.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerung und Überwachung zur Auswertung des Fahrzeugzustandes „Fahrt", „Stillstand" oder „Crash" erfolgt.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit über einen Kommunikationsbus ruhestromrelevante Signale wie. z. B. Türkontakt, Lichtsensor, Zündschloss übermittelt werden.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Ladung (SOC) und Betriebssicherheit (SOH) der Speicher, insbesondere der Batterie überwacht und deren Zustand berechnet.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bestimmte oder einzelne Strompfade in Abhängigkeit der Ladung der Energiespeicher und des Fahrzeugzustandes abschaltet.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in Abhängigkeit eines Bordnetzausfalls, Maßnahmen einleitet, die nach Prioritäten geordnet sind, wobei folgende Maßnahmen sichergestellt sein müssen: 1. Sicherstellung der Funktion der Anzeige(n) (Display) zur Darstellung eines Fehlers, einer Gefährdung und optional die Anzeige hierzu gehöriger Bedienhinweise; 2. Abschaltung Motorfunktion (Ausnahme bei Beschleunigung) bei kleinem SOC bei Ausfall Generator; 3. Abschaltung Motorfunktion, wenn Getriebesperre oder/und Funktion der Feststellbremse aktiviert.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung zusammen mit einem zentralen Gateway in einem Modul bzw. zu einer Einheit zusammengefaßt ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung in einem 2-Spannungs-Bordnetz mit bidirektionalem DC/DC-Konverter für 14V-Bordnetz angeordnet ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung im Bereich eines Energiespeichers angeordnet ist, wobei die einzelnen Zellen des Energiespeichers um den Umfang eines elektromotorischen Bremskraftverstärkers (3a) angeordnet sind.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz einen ersten und einen zweiten UCap aufweist, wobei die UCaps stark unterschiedliche Kapazität aufweisen, wobei der kleinere UCap zum Starten eingeschaltet wird, wenn der größere UCap bei längerem Fahrzeugstillstand erheblich unter der Nennspannung zum Starten liegt.