-
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Das Bordnetz umfasst ein Primärsystem mit einem Generator zum Erzeugen einer Primärspannung. Das Bordnetz umfasst außerdem ein Sekundärsystem mit zumindest einem Hochleistungsverbraucher und einem Energiespeicher. Ein Gleichspannungswandler verbindet das Primärsystem mit dem Sekundärsystem und wandelt die Primärspannung in eine Sekundärspannung zum Aufladen des Energiespeichers und/oder zum Versorgen des Hochleistungsverbrauchers um. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz sowie auf ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug.
-
Die Erfindung geht von einem Bordnetz aus dem Hause der Anmelderin aus, wie es aus der
DE 10 2005 029 081 A1 bekannt ist. Bei diesem Bordnetz ist ein Primärsystem durch eine Fahrzeugbatterie, einen Starter für eine Brennkraftmaschine, einen Generator sowie zumindest einen elektrischen Verbraucher gebildet. Die Parallelschaltung aus diesen Komponenten ist über einen Gleichspannungswandler (auch unter der Bezeichnung DC/DC-Wandler bekannt) mit einer Parallelschaltung aus einem Doppelschichtkondensator und einem Hochleistungsverbraucher verbunden. Der Doppelschichtkondensator und der Hochleistungsverbraucher bilden insgesamt ein Sekundärsystem des Bordnetzes.
-
Hochleistungsverbraucher zeichnen sich bekanntlich dadurch aus, dass sie für eine kurze Zeit sehr hohe Leistungen – meistens größer als 2 kW – benötigen. Bei einem 14-Volt-Bordnetz ist somit die Stromstärke des während des Betriebs des Hochleistungsverbrauchers fließenden Stroms entsprechend sehr hoch. Gerade aus diesem Grund werden Gleichspannungswandler eingesetzt, die die Bordnetzspannung von zum Beispiel 14 V in eine Spannung mit einer Amplitude von zum Beispiel 18 V umwandeln. Mit dieser höheren Spannung wird dann – wie dies im Gegenstand gemäß Druckschrift
DE 10 2005 029 081 A1 der Fall ist – der Hochleistungsverbraucher versorgt. Durch die Erhöhung der Amplitude der Spannung erniedrigt sich bei vorgegebener Leistung gleichzeitig die Stromstärke des über den Hochleistungsverbraucher fließenden Stroms.
-
Die Doppelschichtkondensatoren finden jedoch ihre Grenzen in höheren Spannungsbereichen. Doppelschichtkondensatoren müssen nämlich unterhalb der so genannten Zersetzungsspannung betrieben werden; bei Überschreiten der Zersetzungsspannung werden die Doppelschichtkondensatoren irreversibel beschädigt. Mit der Zersetzungsspannung eines Doppelschichtkondensators steigt gleichzeitig der für seine Herstellung erforderliche Aufwand, wie auch die Kosten. Außerdem sind Doppelschichtkondensatoren passive Bauelemente: Wird eine Spannung an einem Doppelschichtkondensator angelegt, wird der Doppelschichtkondensator sofort aufgeladen, und es fließt ein Strom großer Stromstärke. Der Gleichspannungswandler wird belastet. Es bedarf zusätzlicher aufwändiger Steuerungssysteme, um die Ladegeschwindigkeit und somit die Stromstärke des während des Aufladens fließenden Stromes einstellen zu können. Das rasche Aufladeverhalten eines Doppelschichtkondensators kann zu Spannungseinbrüchen im Bordnetz führen.
-
Darüber hinaus stoßen die Doppelschichtkondensatoren an ihre Grenzen in höheren Temperaturbereichen. Ein Doppelschichtkondensator kann nämlich höchstens bis zu einer Temperatur von etwa 70 bis 80°C betrieben werden. Insbesondere in Kraftfahrzeugen, wo diese Temperaturgrenzen häufig überschritten werden, müssen dann besondere Kühlmaßnahmen getroffen werden. Dies ist mit spezifischen Kosten verbunden. Schließlich ist die Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren beschränkt. Diese wird maßgeblich durch solche Parameter, wie die Betriebsspannung sowie die Betriebstemperatur bestimmt. Erhöht der Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung, so verringert sich entsprechend die Lebensdauer des Doppelschichtkondensators.
-
Somit besteht eine besondere Herausforderung darin, bei einem Bordnetz der eingangs genannten Gattung Maßnahmen zu treffen, die einen zuverlässigen Betrieb des Bordnetzes gewährleisten, nämlich insbesondere bezüglich der Temperaturfestigkeit, der Kosten, der zulässigen Spannungsbereiche, der Lebensdauer beziehungsweise Alterung sowie in Bezug auf die Belastung des Gleichspannungswandlers.
-
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Hochleistungsverbraucher zuverlässig betrieben werden kann, ohne das gesamte Bordnetz in seiner Funktion zu beeinträchtigen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz sowie durch ein Kraftfahrzeug, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
-
Bei dem Bordnetz der eingangs genannten Gattung ist vorgesehen, dass der Energiespeicher ein Schwungradenergiespeicher ist. Gerade in Verbindung mit dem Gleichspannungswandler erweist sich der Schwungradenergiespeicher als besonders vorteilhaft: Der Gleichspannungswandler kann eine solche Sekundärspannung bereitstellen, deren Amplitude deutlich höher als die der Primärspannung ist. Die Amplitude der Sekundärspannung wird hier durch eine Zersetzungsspannung, wie sie bei einem Doppelschichtkondensator berücksichtigt werden muss, nicht beschränkt. Somit kann die Amplitude der Sekundärspannung beliebig erhöht werden, ohne Rücksicht auf die Zersetzungsspannung nehmen zu müssen. Außerdem ist es die Amplitude der Betriebsspannung, die in erster Linie die Lebensdauer eines Doppelschichtkondensators bestimmt. Durch den Einsatz des Schwungradenergiespeichers kann eine im Vergleich zum Doppelschichtkondensator längere Lebensdauer des Bordnetzes erreicht werden, dies auch bei höheren Amplituden der Sekundärspannung. Die über den Hochleistungsverbraucher fließenden Ströme können somit durch Erhöhung der Amplitude der Sekundärspannung auf ein Minimum reduziert werden, ohne die Lebensdauer des Schwungradenergiespeichers zu beeinflussen.
-
Auch die Temperaturfestigkeit des Schwungradenergiespeichers ist gegenüber einem Doppelschichtkondensator viel höher. Ein Schwungradenergiespeicher kann nämlich sogar bei Temperaturen bis 120°C betrieben werden. Im Gegensatz zu einem Doppelschichtkondensator beeinflusst die Temperatur die Lebensdauer des Schwungradenergiespeichers nicht. Es kann somit auf zusätzliche Kühlmaßnahmen, wie sie bei Doppelschichtkondensatoren eingesetzt werden müssen, verzichtet werden. Dies macht auch die Gesamtkosten des Bordnetzes geringer.
-
Nicht unerwähnt sollte ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes bleiben, nämlich dass die Geschwindigkeit des Aufladens des Schwungradenergiespeichers und hierdurch die Stromspitzen beim Aufladen des Schwungradenergiespeichers in bestimmtem Ausmaß eingestellt werden können. Ein Schwungradenergiespeicher verfügt nämlich in der Regel über einen Wechselrichter, mit dessen Hilfe die Drehzahl des Schwungrades gesteuert werden kann. Die Drehzahl des Schwungrades ist dabei proportional zur Frequenz der durch den Wechselrichter bereitgestellten Wechselspannung. Durch entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters kann also die Ladezeit beziehungsweise die Ladegeschwindigkeit des Schwungradenergiespeichers und hierdurch die beim Aufladen auftretenden Stromspitzen variiert werden. Dies schont den Gleichspannungswandler, nämlich insbesondere bei hohen Amplituden der Sekundärspannung.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller umfasst. Dann kann der Gleichspannungswandler die Sekundärspannung mit einer Amplitude höher als die Amplitude der Primärspannung bereitstellen. Hierdurch kann der Schwungradenergiespeicher ebenfalls auf eine höhere Betriebsspannung ausgelegt sein, und die Stromstärke des über den Hochleistungsverbraucher fließenden Stroms und hierdurch die Spannungseinbrüche können auf ein Minimum reduziert werden.
-
Den Gleichspannungswandler steuert eine Steuereinrichtung – zum Beispiel ein Mikroprozessor – an. Die Steuereinrichtung entkoppelt das Primärsystem während eines Betriebs des Hochleistungsverbrauchers von dem Sekundärsystem mithilfe des Gleichspannungswandlers, bevorzugt unter der Voraussetzung, dass der Schwungradenergiespeicher mit Energie aufgeladen ist. Dann wird der Hochleistungsverbraucher mit der im Schwungradenergiespeicher gespeicherten Energie versorgt, und ein Spannungseinbruch im Primärsystem wird vermieden. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung des Bordnetzes gemäß Druckschrift
DE 10 2005 029 081 A1 dar – dort wird der Hochleistungsverbraucher unmittelbar mit der durch den Gleichspannungswandler erzeugten Sekundärspannung versorgt.
-
Unterschreitet die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie einen vorbestimmten Grenzwert oder liegt sie zu Beginn der Inbetriebnahme des Hochleistungsverbrauchers unter diesem Grenzwert, so kann die Steuereinrichtung die Sekundärspannung mithilfe des Gleichspannungswandlers bereitstellen, um den Hochleistungsverbraucher zu versorgen. Dann wird sichergestellt, dass der Hochleistungsverbraucher auch bei entladenem Schwungradenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird und in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in einem Rekuperationsbetrieb die Sekundärspannung mithilfe des Gleichspannungswandlers bereitstellt, um den Schwungradenergiespeicher aufzuladen. Beim Rekuperieren kann zum Beispiel die beim Bremsen des Kraftfahrzeugs oder im Schubbetrieb erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt und als Rotationsenergie im Schwungradenergiespeicher gespeichert werden. Durch eine solche Vorgehensweise kann grundsätzlich Kraftstoff gespart werden, da die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie im Bordnetz wieder genutzt und der Generator entlastet werden kann. Ein Rekuperationsbetrieb kann beispielsweise derart gestaltet werden: Der Fahrer beschleunigt das Kraftfahrzeug in einem Stadtgebiet im dritten Gang auf eine bestimmte Geschwindigkeit, zum Beispiel auf 50 km/h. Der Fahrer lässt das Gaspedal los und betätigt das Bremspedal, das Fahrzeug wird mithilfe eines Bremssystems gebremst. In diesem Bremsbetrieb wird kein Kraftstoff verbraucht. Während dieser Zeit erzeugt der Gleichspannungswandler die Sekundärspannung mit einer Amplitude von 18 V. Somit kann der Schwungradenergiespeicher aufgeladen werden. Diese im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt für den Betrieb des Hochleistungsverbrauchers genutzt oder auch – wie nachstehend geschildert – in das Primärsystem eingespeist werden.
-
Es ist sinnvoll möglich, die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie dem Primärsystem zur Verfügung zu stellen. In einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler ein bidirektionaler Wandler, das heißt er kann die Primärspannung in die Sekundärspannung umwandeln und umgekehrt. Diese Ausführungsform erweist sich insbesondere in einem Zugbetrieb besonders vorteilhaft. Ein solcher Zugbetrieb kann sich an einen jeden Rekuperationsbetrieb anschließen; im Zugbetrieb wird die im Schwungradenergiespeicher während der Rekuperation gespeicherte Energie an das Primärsystem abgegeben. Also kann im Zugbetrieb der Generator entlastet werden, und es kann Kraftstoff gespart werden. Im Anschluss auf das oben dargestellte Beispiel: Lässt der Fahrer das Bremspedal los und betätigt erneut das Gaspedal, beschleunigt das Fahrzeug wieder. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt ein Übergang von dem Rekuperationsbetrieb in den Zugbetrieb, in welchem die Amplitude der durch den Generator erzeugten Primärspannung reduziert werden kann. Die Steuereinrichtung steuert nun den Gleichspannungswandler so, dass er die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie an das Primärsystem überträgt. Trotz der geringeren Amplitude der vom Generator erzeugten Primärspannung können die im Primärsystem befindlichen Verbraucher ordnungsgemäß funktionieren. Es kann somit Kraftstoff gespart werden, da der Generator den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs weniger belastet.
-
Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetz.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug. Ein Gleichspannungswandler erzeugt aus einer Primärspannung, die durch einen Generator erzeugt wird, eine Sekundärspannung, die ein Aufladen eines Energiespeichers bewirkt. Als Energiespeicher wird ein Schwungradenergiespeicher verwendet.
-
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wie auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die einzige Figur veranschaulicht in schematischer Darstellung ein Bordnetz eines Personenkraftwagens nach einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Ein in der Figur dargestelltes Bordnetz 10 ist in einen Personenkraftwagen eingebaut. Das Bordnetz 10 umfasst ein Primärsystem 12 sowie ein Sekundärsystem 14. Im Primärsystem 12 befindet sich eine Parallelschaltung aus einer Fahrzeugbatterie 16, einem Starter 18 für eine Brennkraftmaschine, einem Generator 20 sowie einem elektrischen Verbraucher 22. Der elektrische Verbraucher 22 ist zum Beispiel ein Radio, eine Heizung, eine Klimaanlage, eine Lampe oder dergleichen. Der Generator 20 erzeugt während der Fahrt eine Primärspannung UP, deren Amplitude in einem Normalbetrieb 14 V beträgt. Mit der Primärspannung UP wird der elektrische Verbraucher 22 versorgt, wie auch weitere in der Figur nicht dargestellte und parallel zum Verbraucher 22 geschaltete Verbraucher.
-
Somit sind also die Fahrzeugbatterie 16, der Starter 18, der Generator 20 und der Verbraucher 22 parallel zueinander zwischen einem Primärpol 24 und einem Bezugspotential 26 geschaltet.
-
Das Sekundärsystem 14 verfügt über einen Hochleistungsverbraucher 28, welcher zwischen einem Sekundärpol 30 und dem Bezugspotential 26 geschaltet ist. Der Hochleistungsverbraucher 28 ist zum Beispiel ein Elektromotor für ein Bremssystem oder auch ein Lenksystem des Personenkraftwagens. Solche Elektromotoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie für kurze Zeit eine große Leistung benötigen, nämlich über 2 kW.
-
Parallel zum Hochleistungsverbraucher 28, also zwischen dem Sekundärpol 30 und dem Bezugspotential 26 ist ein Schwungradenergiespeicher 32 geschaltet. Der Schwungradenergiespeicher 32 umfasst ein Schwungrad 34, welches – wie in der Figur mit einem Pfeil 36 schematisch angedeutet – drehbar gelagert ist. Um das Schwungrad 34 herum sind eine Mehrzahl von Wicklungen – im Ausführungsbeispiel drei Wicklungen 38 – angeordnet, die mit einem Wechselrichter 40 gekoppelt sind. Mithilfe des Wechselrichters 40 kann eine zwischen dem Sekundärpol 30 und dem Bezugspotential 26 anliegende Sekundärspannung US in drei gegeneinander phasenverschobene und jeweils an einer Wicklung 38 abfallende Wechselspannung erzeugt werden. Die Wicklungen 38 erzeugen dann ein Drehfeld, welches das Schwungrad 34 auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt. Diese Drehzahl ist direkt von der Frequenz der durch den Wechselrichter 40 bereitgestellten Wechselspannung abhängig. Dreht sich das Schwungrad 34, kann die in den Wicklungen 38 induzierte Wechselspannung wiederum mithilfe des Wechselrichters 40 in die Gleichspannung US umgewandelt werden, und die im Schwungradenergiespeicher 32 gespeicherte Rotationsenergie kann als elektrische Energie an dem Sekundärpol 30 entnommen werden.
-
Ein Gleichspannungswandler 42 koppelt, insbesondere verbindet das Primärsystem 12 mit dem Sekundärsystem 14. Der Gleichspannungswandler 42 ist ein bidirektionaler Wandler, das heißt er kann sowohl die Primärspannung UP in die Sekundärspannung US als auch die Sekundärspannung US in die Primärspannung UP umwandeln. Der Gleichspannungswandler 42 umfasst einen Hochsetzsteller, mit welchem aus der Primärspannung UP die Sekundärspannung US mit einer solchen Amplitude erzeugt werden kann, die höher als die Amplitude der Primärspannung UP ist. Zum Beispiel kann die Amplitude der Sekundärspannung US in einem Wertebereich von 14 V bis 42 V eingestellt werden. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Amplitude der Sekundärspannung US 18 V. Entsprechend ist auch der Schwungradenergiespeicher 32 zum Betrieb mit einer Spannung von 18 V ausgebildet.
-
Das Bordnetz 10 umfasst außerdem einen Mikrocontroller 44, welcher den Wechselrichter 40 sowie den Gleichspannungswandler 42 ansteuert, wie auch die Amplitude der vom Generator 20 erzeugten Primärspannung UP regelt.
-
Nachfolgend werden mögliche Betriebszustände des Bordnetzes 10 näher erläutert:
-
Normalbetrieb:
-
Im Normalbetrieb, also während der Fahrt, stellt der Generator 20 die Primärspannung UP bereit. Mit dieser Primärspannung UP wird der Verbraucher 22 versorgt, wie auch andere im Primärsystem 12 vorhandene Verbraucher. Im Normalbetrieb ist das Sekundärsystem 14 von dem Primärsystem 12 entkoppelt, nämlich mithilfe des Gleichspannungswandlers 42. Außerdem ist im Normalbetrieb der Schwungradenergiespeicher 32 mit Energie aufgeladen, das heißt das Schwungrad 34 dreht sich. Im Normalbetrieb kann somit der Hochleistungsverbraucher 28 mit der Energie aus dem Schwungradenergiespeicher 32 versorgt werden, ohne die Energie aus dem Primärsystems 12 zu verbrauchen. Wird der Hochleistungsverbraucher 28 in Betrieb genommen, so bricht die Primärspannung UP nicht ein.
-
Ladebetrieb:
-
Der Normalbetrieb kann für eine kurze Zeit unterbrochen werden, um den Schwungradenergiespeicher 32 aufzuladen. Dabei bleibt der Generator 20 in Betrieb, er erzeugt die Primärspannung UP. Der Gleichspannungswandler 42 erzeugt im Ladebetrieb die Sekundärspannung US, und der Mikrocontroller 44 steuert den Wechselrichter 40 so an, dass der Schwungradenergiespeicher 32 aufgeladen wird. Ist der Schwungradenergiespeicher 32 aufgeladen, wird das Sekundärsystem 14 wieder von dem Primärsystem 12 entkoppelt.
-
Rekuperation:
-
Im Rekuperationsbetrieb wird die kinetische Energie beim Bremsen und während eines Schubbetriebs des Personenkraftwagens zurückgewonnen und im Schwungradenergiespeicher 32 gespeichert. Beim Rekuperieren wird kein Kraftstoff verbraucht, der Generator 20 erzeugt die Primärspannung UP. Der Gleichspannungswandler 42 stellt die Sekundärspannung US bereit, welche das Aufladen des Schwungradenergiespeichers 32 bewirkt. Also kann im Rekuperationsbetrieb der Schwungradenergiespeicher 32 beim Bremsen sowie im Schubbetrieb aufgeladen werden, ohne den Kraftstoff zu verbrauchen. Diese „kostenlos” gewonnene Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.
-
Zugbetrieb:
-
An den Rekuperationsbetrieb schließt sich unmittelbar ein Zugbetrieb an. Im Zugbetrieb wird die im Rekuperationsbetrieb rückgewonnene Energie an das Primärsystem 12 abgegeben, nämlich über den bidirektionalen Gleichspannungswandler 42. Somit kann der Generator 20 entlastet werden, ohne die Funktion des Verbrauchers 22 zu beeinträchtigen. Da der Antriebsstrang vom Generator 20 weniger belastet wird, kann im Zugbetrieb Kraftstoff gespart werden.
-
Insgesamt wird also ein Bordnetz 10 geschaffen, welches aufgrund des Einsatzes des Schwungradenergiespeichers 32 in Verbindung mit dem Gleichspannungswandler 42 folgende Vorteile gegenüber einem Bordnetz mit einem Doppelschichtkondensator aufweist:
- – Das Bordnetz kann bis zu einer Temperatur von 120°C betrieben werden,
- – das Bordnetz kann mit hohen Sekundärspannungen betrieben werden, ohne Rücksicht auf eine Zersetzungsspannung sowie die Beeinflussung der Lebensdauer des Energiespeichers 32,
- – dadurch kann die Stromstärke des über den Hochleistungsverbraucher 28 fließenden Stroms und somit die Spannungseinbrüche im Bordnetz 10 auf ein Minimum reduziert werden,
- – da der Schwungradenergiespeicher 32 über den Wechselrichter 40 verfügt, kann die Geschwindigkeit des Aufladens und somit die im Sekundärsystem 14 auftretenden Stromspitzen variiert werden,
- – durch geringere Stromstärke des über den Hochleistungsverbraucher 28 fließenden Stroms sowie des beim Aufladen des Schwungradenergiespeichers 32 fließenden Stroms wird der Gleichspannungswandler 42 weniger belastet