DE102009006665A1

DE102009006665A1 - Bordnetz eines Kraftfahrzeuges und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102009006665A1
Application number: DE102009006665A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hofmann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, das zumindest eine Batterie, einen Starter, einen elektostatischen Energiespeicher sowie wenigstens einen elektrischen Verbraucher aufweist. Eine Komfortsteigerung lässt sich erreichen, wenn während eines Startvorgangs zum Starten einer Brennkraftmaschine mittels des Starters innerhalb des Bordnetzes ein Starternetz, das zumindest die Batterie und den Starter umfasst, von einem Verbrauchernetz, das zumindest den Energiespeicher und wenigstens einen elektrischen Verbraucher umfasst, elektrisch getrennt wird und der Energiespeicher den wenigstens einen Verbraucher des Verbrauchernetzes mit elektrischer Energie versorgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeuges.
Ein Kraftfahrzeug ist üblicherweise zur Versorgung seiner elektrischen Verbraucher mit einem Bordnetz ausgestattet. An dieses Bordnetz sind die einzelnen elektrischen Verbraucher angeschlossen, ebenso wie eine Batterie zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Ein wesentlicher Verbraucher des Bordnetzes ist ein Starter zum Starten einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs. Während eines Startvorganges wird der Starter von der Batterie mit elektrischer Energie versorgt. Bei eingeschalteter Brennkraftmaschine werden die elektrischen Verbraucher des Bordnetzes üblicherweise über einen an das Bordnetz angeschlossenen und von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator mit elektrischer Energie versorgt. Gleichzeitig wird dabei die Batterie wieder aufgeladen.
Während des Startvorgangs zieht der Starter soviel Strom, dass alle anderen elektrischen Verbraucher des Bordnetzes nicht mehr mit ausreichend elektrischer Energie versorgt werden können. Beim Startvorgang kann sich dies darin zeigen, dass bspw. ein Autoradio vorübergehend ausgeht und dass die Fahrzeugbeleuchtung vorübergehend ausgeht oder zumindest schwächer wird. Bei einem herkömmlichen Dauerbetriebsmodus, bei dem die Brennkraftmaschine für die gesamte Fahrtzeit des Fahrzeugs eingeschaltet bleibt, kann diese Komforteinbuße in Kauf genommen werden, da sie je Fahrt nur einmal auftritt, nämlich beim Startvorgang. Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Steigerung des energetischen Wirkungsgrades kommt einem Start-Stopp-Modus zum Betreiben der Brennkraftmaschine eine erhöhte Bedeutung zu. In diesem Start-Stopp-Modus wird die Brennkraftmaschine grundsätzlich dann automatisch ausgeschaltet, wenn sie nicht erforderlich ist, bspw. im Schubbetrieb des Fahrzeugs. Sobald die Brennkraftmaschine wieder benötigt wird, bspw. zum Erzeugen eines Vortriebs, wird sie wieder automatisch eingeschaltet. Hierdurch kommt es im Start- Stopp-Modus zu einer Vielzahl von Startvorgängen für die Brennkraftmaschine. Die weiter oben erläuterte Komforteinbuße durch den großen Stromverbrauch des Starters tritt im Start-Stopp-Modus somit vermehrt auf und kann nicht mehr akzeptiert werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch charakterisiert, dass der Komfort beim Starten der Brennkraftmaschine erhöht ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Bordnetz mit einem elektrostatischen Energiespeicher auszustatten, der während des Startvorgangs wenigstens einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt. Hierzu wird eine vorübergehende Trennung des Bordnetzes in zwei Teilnetze durchgeführt, nämlich in ein Starternetz, das zumindest den Starter und die Batterie umfasst, und ein Verbrauchernetz, das zumindest den Energiespeicher und den wenigstens einen Verbraucher umfasst. Mittels einer entsprechenden Schalteinrichtung können die Teilnetze für den Startvorgang voneinander getrennt werden, sodass der Spannungsabfall an der Batterie ohne Einfluss auf den oder die Verbraucher des Verbrauchernetzes ist. Nach dem Startvorgang werden die Teilnetze wieder miteinander verbunden, sodass der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann und die Verbraucher des Verbrauchernetzes über die Batterie bzw. über einen in das Bordnetz eingebundenen und von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator mit elektrischer Energie versorgt werden können. Ein derartiger elektrostatischer Energiespeicher, wie z. B. ein Kondensator, arbeitet im Vergleich zu einem elektrochemischen Energiespeicher, wie z. B. einer Batterie, nahezu verschleißfrei im Hinblick auf Entladungszyklen und Beladungszyklen. Er kann daher bspw. ohne weiteres so ausgelegt werden, dass er sich während eines üblichen Startvorgangs weitgehend entleert, da er anschließend im Betrieb der Brennkraftmaschine rasch und quasi ohne Hysterese wieder vollgeladen werden kann.
Die damit erzielbare Komfortsteigerung liegt auf der Hand, da komfortsensible Verbraucher, wie z. B. ein Autoradio und Beleuchtungselemente, auch während des Startvorgangs ohne Unterbrechung betrieben werden können.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Energiespeicher über einen Gleichstromwandler an das Verbrauchernetz angeschlossen ist. Hierdurch ist es möglich, den Energiespeicher auf einem deutlich höheren Spannungsniveau zu betreiben als das Bordnetz bzw. als die üblichen Verbraucher des Bordnetzes. Durch die höhere Spannung kann der Energiespeicher eine hohe Energiedichte besitzen, wodurch er bei hohem Energiegehalt vergleichsweise kompakt bauen kann.
Zum Trennen und Verbinden der Teilnetze kann bspw. ein Halbleiterschalter, wie z. B. ein Feldeffekttransistor, verwendet werden. Derartige elektronische Schalter lassen sich vergleichsweise preiswert realisieren. Darüber hinaus ist es zusätzlich möglich, einen derartigen Halbleiterschalter so zu konfigurieren, dass er gleichzeitig als Verpolschutz für den Energiespeicher bzw. für den Gleichstromwandler verwendet werden kann. Hierdurch erhält der Halbleiterschalter eine Zusatzfunktion, die für die Einbindung des Energiespeichers sowie des Gleichstromwandlers in das Bordnetz von erhöhter Bedeutung ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Bordnetzes,
2–4 Darstellungen wie in 1, jedoch bei unterschiedlichen Betriebszuständen.
Entsprechend den 1 bis 4 umfasst ein nur teilweise dargestelltes elektrisches Bordnetz 1 eines im Übrigen nicht dargestellten Kraftfahrzeugs 2, zwei Teilnetze, nämlich ein Verbrauchernetz 3 und ein Starternetz 4. Das Verbrauchernetz 3 umfasst einen elektrostatischen Energiespeicher 5 sowie zumindest einen elektrischen Verbraucher 6. Dargestellt ist hier nur ein solcher Verbraucher 6. Es ist klar, dass er stellvertretend für mehrere derartige Verbraucher 6 stehen kann. Die dem Verbrauchernetz 3 zugeordneten elektrischen Verbraucher 6 sind insbesondere komfortsensible Verbraucher 6, wie z. B. ein Autoradio und eine Fahrzeugbeleuchtung. Insbesondere handelt es sich hierbei um solche Verbraucher 6, die während eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine 7 des Fahrzeugs 2 nicht ausgehen sollen, sondern unterbrechungsfrei betrieben werden sollen. Beim elektrostatischen Energiespeicher 5 handelt es sich bspw. um eine Kondensatoranordnung. Insbesondere handelt es sich um wenigstens einen Doppelschichtkondensator.
Im Beispiel umfasst das Verbrauchernetz 3 außerdem einen Gleichstromwandler 8, der es ermöglicht, den Energiespeicher 5 auf einem höheren Spannungsniveau zu betreiben als das übrige Bordnetz 1. Bspw. arbeitet das Bordnetz 1 auf 12 V, während der Energiespeicher 5 bspw. in einem Bereich von 16–40 V arbeiten kann.
Das Starternetz 4 umfasst zumindest eine Batterie 9 und einen Starter 10. Der Starter 10 ist mit der Brennkraftmaschine 7 antriebsgekoppelt, was durch einen Doppelpfeil 11 angedeutet ist. Im Starternetz 4 sind im Beispiel außerdem ein Generator 12 und wenigstens ein weiterer Verbraucher 13 angeordnet. Es ist klar, dass im Starternetz 4 auch mehrere weitere Verbraucher 13 angeordnet sein können, sodass der gezeigte Verbraucher 13 stellvertretend für mehrere derartige weitere Verbraucher 13 stehen kann. Diese weiteren Verbraucher 13 sind unkritisch für das Komfortempfinden des Fahrzeugführers und betreffen insbesondere für den Fahrzeugführer nicht sichtbare Geräte bzw. Geräte oder Einrichtungen, die während eines Startvorgangs nicht benötigt werden. Bspw. kann eine Sitzverstellung oder eine Niveauregulierung oder dergleichen während des Startvorgangs unterbrochen sein, ohne dass dies für den Fahrzeugführer eine Komforteinbuße darstellt. Der Generator 12 ist entsprechend einem Doppelpfeil 14 ebenfalls mit der Brennkraftmaschine 7 antriebsverbunden. Insbesondere können Starter 10 und Generator 12 ineinander integriert sein, z. B. in Form eines Startergenerators.
Das Bordnetz 1 umfasst außerdem eine Schalteinrichtung 15, die so ausgestaltet ist, dass damit die beiden Teilnetze 3, 4 voneinander elektrisch getrennt sowie miteinander elektrisch verbunden werden können. Die Schalteinrichtung 15 umfasst bspw. einen Halbleiterschalter 16, z. B. in Form eines Feldeffekttransistors. Ferner besitzt sie im Beispiel eine Betätigungseinrichtung 17 zum Betätigen bzw. Ansteuern des Halbleiterschalters 16. Je nach Bestromung bzw. Polung der nicht näher bezeichneten Anschlüsse des Halbleiterschalters 16, sperrt oder verbindet er die beiden Teilnetze 3, 4. Im Beispiel bilden der Energiespeicher 5, der Gleichstromwandler 8 und die Schalteinrichtung 15 eine Einheit 18, was in 1 durch einen gemeinsamen Rahmen angedeutet ist. Insbesondere kann diese Einheit 18 eine komplett vormontierbare Baugruppe bilden, bei der zumindest zwei Bestandteile oder alle Bestandteile weitgehend integriert sind.
Der Halbleiterschalter 16 ist im Beispiel so ausgestaltet bzw. so geschaltet, dass er gleichzeitig als Verpolschutz für den Energiespeicher 5 bzw. für den Gleichstromwandler 8 dient.
Ferner umfasst das Bordnetz 1 eine Steuerung 19, die hier vereinfacht dargestellt ist. Die Steuerung 19 kommuniziert auf geeignete Weise z. B. mit dem Starter 10 und mit der Schalteinrichtung 15. Ferner kann sie mit einem hier nicht gezeigten Motorsteuergerät bzw. mit der Brennkraftmaschine 7 kommunizieren. Die Steuerung 19 ist zweckmäßig so ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie für die Brennkraftmaschine 7 einen Start-Stopp-Modus realisieren kann.
Die Steuerung 19 kann nun so ausgestaltet bzw. programmiert sein, dass sie für die Brennkraftmaschine 7 bzw. für das Bordnetz 1 folgende, mit Bezug auf die 2 bis 4 näher erläuterte Betriebsverfahren bzw. Betriebszustände ermöglicht.
2 zeigt mit Pfeilen 20 den Energiefluss im Bordnetz 1 während eines Rekuperationsbetriebs der Brennkraftmaschine 7. Während des Rekuperationsbetriebs ist die Brennkraftmaschine 7 ausgeschaltet. Das Fahrzeug 2 befindet sich in einem Schubbetrieb, sodass es möglich ist, über den Generator 12 elektrische Energie in das Bordnetz 1 einzuspeisen. Diese Energie kann dazu genutzt werden, die Batterie 9 zu laden, die Verbraucher 13 des Starternetzes 4 zu betreiben, den Energiespeicher 5 zu laden und die Verbraucher 6 des Verbrauchernetzes 3 zu betreiben. Hierzu ist die Schalteinrichtung 15 geschlossen, d. h., die Schalteinrichtung 15 ist zum Verbinden der beiden Teilnetze 3, 4 betätigt.
3 zeigt den Energiefluss unmittelbar nach einem derartigen Schubbetrieb bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine 7. Erkennbar kann nun dem Energiespeicher 5 die gespeicherte Energie entnommen und bspw. vorübergehend zum Betreiben der Verbraucher 13 des Starternetzes 4 sowie der Verbraucher 6 des Verbrauchernetzes 3 genutzt werden. Der Energiefluss ist in 3 durch Pfeile 21 dargestellt. In dieser Phase kann die elektrische Energie des Energiespeichers 5 auch zum Aufladen der Batterie 9 genutzt werden. Auch in diesem Betriebszustand ist die Schalteinrichtung 5 so geschaltet, dass sie die beiden Teilnetze 3, 4 miteinander verbindet.
Sobald der Energiespeicher 5 leer ist, kann wieder der in 2 gezeigte Zustand hergestellt werden, jedoch ohne Rekuperation, so dass die Energieversorgung der Verbraucher 6, 13 durch die Batterie 9 erfolgt.
4 zeigt nun den Energiefluss während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine 7. Während des Startvorgangs betätigt die Steuerung 19 die Schalteinrichtung 15 so, dass sie geöffnet ist, d. h., die beiden Teilnetze 3, 4 sind elektrisch voneinander getrennt. Im Starternetz 4 versorgt die Batterie 9 den Starter 10 mit elektrischer Energie, sodass dieser die Brennkraftmaschine 7 starten kann. Unabhängig davon versorgt der Energiespeicher 5 im Verbrauchernetz 3 den daran angeschlossenen Verbraucher 6 mit elektrischer Energie. Am Verbraucher 6 ist aufgrund der getrennten Teilnetze 3, 4 der während des Startvorgangs an der Batterie 9 auftretende Spannungsabfall nicht spürbar. Sobald der Startvorgang beendet ist, kann die eingeschaltete Brennkraftmaschine 7 wieder den Generator 12 antreiben, sodass die Energieversorgung über den Generator 12 erfolgt. In der Folge stellt sich bei eingeschalteter Brennkraftmaschine 7 wieder der in 2 gezeigte Energiefluss ein. Der Energiefluss (ohne Rekuperation) in diesem Fall ist in 4 durch Pfeile 22 angedeutet.
Im Unterschied zum Betrieb des wenigstens einen Verbrauchers 6 des Verbrauchernetzes 3 kann während des Startvorgangs der Betrieb des wenigstens einen an das Starternetz 4 angeschlossenen Verbrauchers 13 beeinträchtigt oder unterbrochen werden, was auf den starken Strombedarf des Starters 10 zurückzuführen ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes (1) eines Kraftfahrzeuges (2), das zumindest eine Batterie (9), einen Starter (10), einen elektrostatischen Energiespeicher (5) sowie zumindest einen elektrischen Verbraucher (6) aufweist, bei dem während eines Startvorgangs zum Starten einer Brennkraftmaschine (7) des Fahrzeugs (2) mittels des Starters (10) innerhalb des Bordnetzes (1) ein Starternetz (4), das zumindest die Batterie (9) und den Starter (10) umfasst, von einem Verbrauchernetz (3), das zumindest den Energiespeicher (5) und wenigstens einen elektrischen Verbraucher (6) umfasst, elektrisch getrennt wird und der Energiespeicher (5) den wenigstens einen Verbraucher (6) des Verbrauchernetzes (3) mit elektrischer Energie versorgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrauchernetz (3) außerdem einen Gleichstromwandler (8) enthält, über den der Energiespeicher (5) an das Bordnetz (1) angeschlossen ist, wobei der Energiespeicher (5) auf einem höheren Spannungsniveau betrieben wird als das Bordnetz (1).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Trennen und Verbinden von Starternetz (4) und Verbrauchernetz (3) ein Halbleiterschalter (16) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (16) als Verpolschutz für den Energiespeicher (5) oder für den Gleichstromwandler (8) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschalteter und bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine (7) das Starternetz (4) mit dem Verbrauchernetz verbunden wird, der Energiespeicher (5) aufgeladen wird und der wenigstens eine Verbraucher (6) des Verbrauchernetzes (3) von der Batterie (9) oder von einem an das Bordnetz (1) angeschlossenen Generator (12) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs (2), – mit einem Verbrauchernetz (3), das einen elektrostatischen Energiespeicher (5) und wenigstens einen elektrischen Verbraucher (6) aufweist, – mit einem Starternetz (4), das eine Batterie (9) und einen Starter (10) zum Starten einer Brennkraftmaschine (7) des Fahrzeugs (2) aufweist, – mit einer Schalteinrichtung (15) zum elektrischen Trennen und elektrischen Verbinden von Starternetz (4) und Verbrauchernetz (3), – mit einer Steuerung (19), die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie während eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine (7) die Schalteinrichtung (15) zum Trennen des Starternetzes (4) vom Verbrauchernetz (3) ansteuert, – wobei das Verbrauchernetz (3) so konfiguriert ist, dass der Energiespeicher (5) den wenigstens einen Verbraucher (6) mit elektrischer Energie versorgt, solange das Verbrauchernetz (3) während des Startvorgangs vom Starternetz (4) getrennt ist.
Bordnetz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (5) über einen Gleichstromwandler (8) an das Verbrauchernetz (3) angeschlossen ist.
Bordnetz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (15) einen Halbleiterschalter (16) aufweist.
Bordnetz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (16) als Verpolschutz für den Energiespeicher (5) oder für den Gleichstromwandler (8) ausgestaltet und/oder geschaltet ist.
Bordnetz nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (16) ein Feldeffekttransistor ist.
Bordnetz nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (5) zumindest einen Doppelschichtkondensator aufweist.
Bordnetz nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass die Steuerung (19) so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie bei eingeschalteter und bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine (7) die Schalteinrichtung (15) zum Verbinden des Starternetzes (4) mit dem Verbrauchernetz (3) ansteuert, – dass das Bordnetz (1) so konfiguriert ist, dass die Batterie (9) oder ein an das Bordnetz (1) angeschlossener Generator (12) den wenigstens einen Verbraucher (6) des Verbrauchernetzes (3) und den Energiespeicher (5) mit elektrischer Energie versorgt, solange das Verbrauchernetz (3) mit dem Starternetz (4) verbunden ist.