DE10230384A1 - Circuit arrangement and method for operating this circuit arrangement - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung mit einem Antrieb (BKM) und einem Generator (G), der mechanisch mit dem Antrieb (BKM) verbunden ist, und einem Versorgungsbordnetz (VBN), dem je nach Betriebszustand über eine Schalteinheit (SE1) ein zusätzliches elektrisches Bauteil (4) in Serie geschaltet werden kann. Die Spannung über dem Generator (G) ist dann gleich der Summe aus der über dem elektrischen Bauteil (4) abfallenden Spannung und der Versorgungsbordnetzspannung. Durch das Zuschalten des elektrischen Bauteils wird die Leistung des Generators (G) ohne eine Erhöhung des durch den Generator (G) fließenden Stroms erhöht. Neben der Versorgung durch einen versorgungsbordnetzseitigen Energiespeicher werden so die versorgungsbordnetzseitigen Verbraucher somit auch während des Rekuperationsbetriebs über das elektrische Bauteil vom Generator (G) mit Energie versorgt.Circuit arrangement with a drive (BKM) and a generator (G) which is mechanically connected to the drive (BKM), and a supply-board network (VBN), the depending on the operating state of a switching unit (SE1), an additional electrical component (4) in series can be connected. The voltage across the generator (G) is then equal to the sum of the voltage dropping across the electrical component (4) and the supply system voltage. By switching on the electrical component, the power of the generator (G) is increased without increasing the current flowing through the generator (G). In addition to the supply from an energy storage system on the supply system side, the consumers on the supply system side are thus also supplied with energy by the generator (G) during the recuperation operation via the electrical component.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Antrieb und einem mechanisch mit dem Antrieb verbundenen Generator und ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement with a drive and a mechanically connected to the drive Generator and a method for operating the circuit arrangement.
Eine in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung (PCT/DE01/00601) offenbarte Schaltungsanordnung weist eine Brennkraftmaschine und einen mechanisch mit dieser verbundenen integrierten Startergenerator (ISG) auf. Der integrierte Startergenerator lädt im generatorischen Betrieb einen Doppelschichtkondensator und/oder einen Akkumulator auf eine erste Spannung auf. Im motorischen Betrieb wird der integrierte Startergenerator mit der im Doppelschichtkondensator oder im Akkumulator gespeicherten Energie angetrieben.A pre-published in the not Patent application (PCT / DE01 / 00601) disclosed circuit arrangement has an internal combustion engine and a mechanically connected thereto integrated starter generator (ISG). The integrated starter generator invites the generator operation a double layer capacitor and / or an accumulator to a first voltage. In motor operation becomes the integrated starter generator with that in the double layer capacitor or driven energy stored in the accumulator.
Diese Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der positive Gleichspannungsanschluss eines bidirektionalen AC/DC-Wandlers je nach Betriebszustand über zwei Schalter im einen Fall mit dem Pluspol des Akkumulators und im anderen Fall mit dem positiven Anschluss des Doppelschichtkondensators verbunden ist. Die Spannung über einem zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss des AC/DC-Wandlers angeordneter Zwischenkreiskondensator kann über einen Stromfluss in den AC/DC-Wandler oder aus dem AC/DC-Wandler heraus an die Spannung des zu verbindenden Energiespeichers angepasst werden. Dies erlaubt es, Ausgleichsströme während des leitend Schaltens der Schalter auf einen Minimalwert zu reduzieren.This circuit arrangement is characterized is characterized in that the positive DC voltage terminal of a bidirectional AC / DC converter depending on operating status via two Switch in one case with the positive pole of the accumulator and in the other Case connected to the positive terminal of the double layer capacitor is. The tension over one between the positive and the negative DC voltage connection the AC / DC converter arranged intermediate circuit capacitor via a current flow in the AC / DC converter or from the AC / DC converter out to be adapted to the voltage of the energy store to be connected. This allows balancing currents during the conductive switching of the switch to a minimum value.
Bei einer solchen Schaltungsanordnung kann die beim Bremsen des Fahrzeugs freiwerdende Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und in einem Energiespeicher zwischenge speichert werden. Die Rückgewinnung der beim Bremsen freiwerdenden kinetischen Energie wird als Rekuperation bezeichnet. Dabei soll die Rekuperationsleistung wesentlich höher sein, als die durchschnittliche generatorische Leistung.In such a circuit arrangement, the heat released during braking of the vehicle kinetic energy into converted electrical energy and temporarily stored in an energy store become. The recovery the kinetic energy released when braking is called recuperation designated. The aim is to be much higher, the recuperation, than the average regenerative power.
Die beim Bremsen freiwerdende kinetische Energie soll dabei nicht der Energiebilanz des Fahrzeuges entzogen und in Wärmeenergie umgewandelt werden, sondern größtenteils in elektrische Energie umgewandelt werden und geeigneten elektrischen, kapazitiven Speichern zugeführt werden. Weiter soll hier ein motorischer Betrieb mit Spannungen deutlich über der Bordnetzspannung möglich sein.The kinetic energy released when braking should not be deprived of the energy balance of the vehicle and in Thermal energy be converted, but are largely be converted into electrical energy and suitable electrical, capacitive storage devices supplied become. Further, a motor operation with voltages to here well above the Board supply voltage possible his.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Schaltungsanordnung
mit einem mit der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelten integrierten
Startergenerator, dem ein bidirektionaler AC/DC-Wandler folgt, ist in
Der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators und der mit ihm verbundene positive Gleichspannungsanschluss des AC/DC-Wandlers führen zu zwei parallel angeordneten Schaltern.The positive connection of the intermediate circuit capacitor and the positive DC connection of the perform AC / DC converter to two parallel switches.
Der erste Schalter verbindet den positiven Anschluss des AC/DC-Wandlers mit dem positiven Pol eines 36-Volt-Akkumulators, mit den parallel zu diesem liegenden großen Lasten, deren andere Anschlüsse mit dem Bezugspotential verbunden sind, und mit einem dritten Schalter.The first switch connects the positive connection of the AC / DC converter with the positive pole of one 36-volt battery, with the large loads lying parallel to it, the other connections of which are connected to the reference potential, and with a third switch.
Der zweite Schalter verbindet den positiven Anschluss des AC/DC-Wandlers mit dem positiven Anschluss eines Doppel schichtkondensators, dessen negativer Anschluss mit dem Bezugspotential verbunden ist, und mit einem vierten Schalter.The second switch connects the positive connection of the AC / DC converter with the positive connection a double layer capacitor, the negative connection with is connected to the reference potential, and to a fourth switch.
Die beiden anderen Anschlüsse des dritten und vierten Schalters sind miteinander und mit einem positiven Anschluss eines DC/DC-Wandlers verbunden. Der positive Anschluss der anderen Wandlerseite ist mit einem Akkumulator und den diesem Akkumulator parallel geschalteten kleinen Lasten elektrisch verbunden.The other two ports of third and fourth switches are with each other and with a positive Connection of a DC / DC converter connected. The positive terminal the other transducer side with an accumulator and this Accumulator parallel small loads are electrically connected.
Im Rekuperationsbetrieb ist der erste Schalter nicht leitend und der zweite Schalter leitend geschaltet. Der Doppelschichtkondensator wird von der am Generator erzeugten elektrischen Energie geladen. Der erste Akkumulator kann in diesem Schaltzustand keine Energie aufnehmen. Die Versorgung der großen Lasten erfolgt in diesem Betriebszustand unabhängig vom Leistungsbedarf ausschließlich aus dem ersten Akkumulator. Die kleinen Lasten werden über den zweiten Akkumulator und, wenn der dritte Schalter geschlossen ist, zusätzlich aus dem ersten Akkumulator versorgt.The first is in recuperation mode Switch not conductive and the second switch switched on. The double layer capacitor is generated by the generator at the electrical energy charged. The first battery can in this Switching state absorb any energy. The supply of large loads is carried out in this operating state regardless of the power demand solely from the first accumulator. The small loads are over the second accumulator and, if the third switch is closed, additionally off the first accumulator supplied.
Die mittels dieser Schaltung durchgeführten Betriebsabläufe werden von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt. Ebenso werden die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler (Aufwärts- oder Abwärtswandlung), die Aufladung des Zwischenkreiskondensators auf einen bestimmten Spannungswert und die Schaltstellungen der vier Schalter von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt.The operations performed by this circuit are controlled by an unillustrated control / regulating circuit / regulated. Also, the determination of the working direction of the converter (up or be Down conversion) the charging of the intermediate circuit capacitor to a certain one Voltage value and the switch positions of the four switches of one Not shown control / regulating circuit controlled / regulated.
Ein Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist es, dass das Bordnetz und die damit verbundenen großen und kleinen Lasten im Rekuperationsbetrieb auch bei einem großen Leistungsbedarf ausschließlich aus den Akkumulatoren versorgt werden.A disadvantage of this circuit arrangement, is it that the wiring system and the associated large and small loads in recuperation even in a large power requirement exclusively are supplied from the accumulators.
Falls keine Drehmomentunterstützung (Boost-Betrieb) der Brennkraftmaschine während der Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs vorgesehen ist und auch keine Verbraucher parallel zum Doppelschichtkondensator geschaltet werden können, so kann die im Doppelschichtkondensator gespeicherte Energie nicht abgegeben werden. Somit bleibt der Doppelschichtkondensator geladen und kann bei dem nächsten Rekuperationsvorgang keine Energie mehr aufnehmen.If no torque support (boost operation) of the internal combustion engine is provided during the acceleration phases of the vehicle and no consumers can be connected in parallel to the double-layer capacitor, the energy stored in the double-layer capacitor cannot be released. This leaves the Double layer capacitor is charged and can not absorb any more energy in the next Rekuperationsvorgang.
Aus der Offenlegungsschrift
Der zusätzliche Verbraucher wird hier nur zugeschaltet, um bei der Rekuperation die Leistungsaufnahme zu erhöhen. Die Leistungsaufnahme ist jedoch dadurch beschränkt, dass die Generatorspannung nur bis zu dem für die Verbraucher des Kraftfahrzeugs zulässigen Höchstwert (z.B. von 14 V auf 16 V) erhöht werden kann. Wenn die besagten Zusatzverbraucher bereits vorher aufgrund eines Bedarfes eingeschaltet sind, ist eine Rekuperation nicht möglich. Die Rekuperationsleistung geht in diesem Fall trotz eines hohen Leistungsbedarfs verloren.The additional load is here only switched to the power consumption at the recuperation to increase. However, the power consumption is limited by the generator voltage only up to the for the consumers of the motor vehicle maximum permitted value (e.g., from 14 V to 16 V) increases can be. If the said additional consumers previously is switched on due to a need is a recuperation not possible. The recuperation is in this case, despite a high Power demand lost.
Das bekannte Verfahren erhöht zwar den Ladezustand der Batterie und damit auch die Startleistung, die im Rekuperationsbetrieb abgegebene Energie steht jedoch nur bedingt für eine elektromotorische Unterstützung des Verbrennungsmotors zur Verfügung.Although the known method increases the state of charge of the battery and thus also the starting power However, given the recuperation energy is only partially for one electromotive support of the internal combustion engine.
Eine Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug
ist aus der Gebrauchsmusterschrift
Die im Hochstromenergiespeicher gespeicherte elektrische Energie kann wieder einem Komfort- und/oder Hochstromwandler zur Verfügung gestellt werden.The stored in the high electrical energy storage electrical energy can be a comfort and / or high-current converter to disposal be put.
Der veränderbare ohmsche Widerstand dient hier nur zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie.The variable ohmic resistance is here only for converting electrical energy into thermal energy.
Die bei einem Rekuperationsvorgang durch eine Vergrößerung des ohmschen Widerstands zurückgewonnenen kinetische Energie kann hier nur in thermische Energie umgewandelt werden, d.h. wenn keine thermische Energie abgeführt werden kann, kann der ohmsche Widerstand nicht beliebig vergrößert werden.The case of a Rekuperationsvorgang by increasing the Ohmic resistance recovered Kinetic energy can only be converted into thermal energy become, i.e. if no thermal energy can be dissipated, the ohmic Resistance will not be arbitrarily increased.
Wird bei einer solchen bekannten Zweispannungsversorgungseinrichtung anstelle des ohmschen Widerstands ein Verbraucher verwendet, der eine Mindestspannung benötigt, so muss auch der Leistungsenergiespeicher eine Mindestspannung aufweisen. Der zum Speichern der Rekuperationsenergie zur Verfügung stehende Energieinhalt des Leistungsenergiespeichers wird dadurch erheblich reduziert.If, in such a known Dual voltage supply device instead of ohmic resistance a consumer uses, which requires a minimum voltage, the power energy storage must also have a minimum voltage. The one available for storing the recuperation energy Energy content of the energy storage capacity thus considerably reduced.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung zu schaffen, die elektrische Verbraucher sicher mit Energie versorgen können.The object of the invention is a circuit arrangement and a method for operating the circuit arrangement to create safe supply the electrical consumers with energy can.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2 und durch ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.This object is achieved by a circuit arrangement with the features of claims 1 or 2 and by a A method of operating the circuit arrangement having the features of claim 10 dissolved.
Die Schaltungsanordnung lässt sich in zwei Teilnetze untergliedern: ein erstes Teilnetz, das Rekuperationsnetz und ein zweites Teilnetz, das Versorgungsbordnetz (mit z.B. 12V, 24V und/oder 42V).The circuitry can be divided into two sub-networks: a first subnet Rekuperationsnetz and a second sub-network, the supply network board (with, for example 12V, 24V and / or 42V).
Ein erster Wandler (z.B. ein Wechselspannungswandler) mit einer ersten Ein-/Ausgangsseite und einer zweiten Ein-/Ausgangsseite ist mit der ersten Ein-/Ausgangsseite mit dem Generator elektrisch verbunden.A first transducer (e.g., an AC voltage converter) with a first input / output side and a second input / output side is electrically connected to the generator with the first input / output side.
Das Versorgungsbordnetz kann je nach Betriebszustand über eine erste Schalteinheit vom ersten Wandler und so auch vom Generator elektrisch getrennt werden und über ein erstes elektrisches Bauteil ebenfalls über die erste Schalteinheit wieder elektrisch mit dem ersten Wandler und somit wieder mit dem Generator verbunden werden. Die Spannung über dem Generator ist dann gleich der Summe aus der über dem ersten elektrischen Bauteil abfallenden Spannung und der Spannung des Versorgungsbordnetzes (Bordnetzspannung). Durch das Zuschalten des ersten elektrischen Bauteils wird so ohne eine Erhöhung des durch den Generator fließenden Stromes die Generatorleistung erhöht.The supply board network can vary depending on Operating state over a first switching unit from the first converter and thus also from the generator are electrically disconnected and a first electrical component also via the first switching unit again electrically with the first converter and thus again with the Generator to be connected. The voltage across the generator is then equal to the sum of the over the first electrical component dropping voltage and the voltage the on-board electrical system (vehicle electrical system voltage). By switching the first electrical component is so without increasing the flowing through the generator Current, the generator output increases.
Das Rekuperationsnetz ist auf diese Weise spannungsvariabel, seine Spannung ist von der Spannung des Generators abhängig und kann deutlich höhere Werte als für die Bordnetzspannung zulässig annehmen.The recuperation network is on this Wise variable in tension, its tension is dependent on the tension of the generator dependent and can significantly higher Values than for the vehicle electrical system voltage permitted accept.
Im Gegensatz dazu ist das Versorgungsbordnetz spannungsstabil, d.h. der Bedarf des Versorgungsbordnetzes und damit der Batteriestrom wird durch das Zuschalten des ersten elektrischen Bauteils geregelt (Spannungsteiler).In contrast, the supply board power voltage stable, i.e. the need of the on-board electrical system and thus the battery current is generated by connecting the first electrical component controlled (voltage divider).
Neben der Versorgung durch einen geeigneten Energiespeicher (z.B. Akkumulator oder Brennstoffzelle) werden die versorgungsbordnetzseitigen Verbraucher somit auch während des Rekuperationsbetriebs über das erste elektrische Bauteil und die erste Schalteinheit vom Generator mit Energie versorgt.In addition to the supply by a suitable energy storage (e.g. accumulator or fuel cell) the on-board electrical system consumers are thus also during the recuperation over the first electrical component and the first switching unit from the generator energized.
Die Verbraucher des Versorgungsbordnetzes werden so – auch in Situationen in denen ein erhöhter Spannungsbedarf besteht – spannungsstabil mit der am Generator gewonnenen elektrischen Energie versorgt.Consumers of supply on-board network so - even in which an increased in situations Voltage required - with its tension of the electrical energy generated at the generator.
In einer zweiten Ausführung der Schaltungsanordnung weist die Schaltungsanordnung eine zweite Schalteinheit auf, die zum einen mit dem elektrischen Bauteil verbunden ist. Zum anderen kann über diese zweite Schalteinheit das elektrische Bauteil alternativ mit dem Versorgungsbordnetz oder mit der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers verbunden werden.In a second embodiment of Circuit arrangement, the circuit arrangement has a second switching unit on, which is connected on the one hand to the electrical component. To the others can said second switching unit, the electrical component alternatively the supply system or with the second input / output side of the first converter are connected.
Bei kleinen Generatorspannungen kann so, durch ein Verbinden des mit der zweiten Schalteinheit verbundenen Ausgangs des elektrischen Bauteils mit der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers, die Spannung an dem elektrischen Bauteil erhöht werden. Andererseits kann auch die Spannung durch ein Verbinden des elektrischen Bauteils mit dem Versorgungsbordnetz erniedrigt werden. Gleichzeitig kann hierdurch der in das Versorgungsbordnetz fließende Strom grob gesteuert werden.For small generator voltages can so, by connecting that connected to the second switching unit Output of the electrical component to the second input / output side the first converter, the voltage across the electrical component can be increased. On the other hand, the voltage can also be reduced by connecting the electrical Component are lowered with the supply system. simultaneously can thereby the current flowing into the on-board electrical system be controlled coarsely.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the Invention are in the subclaims described.
Dem Generator werden während der Rekuperation lediglich Spannungsgrenzen (z.B. minimal 17V, maximal 58V) und ein Maximalstrom oder eine Maximalleistung vorgegeben (z.B. 150A, 8kW). Innerhalb dieser Grenzen wird die Spannung des Generators unter anderem durch die Regelung des Antriebstrangs bestimmt.The generator during the Recuperation only voltage limits (e.g. minimum 17V, maximum 58V) and a maximum current or a maximum power (e.g. 150A, 8kW). The voltage of the generator is within these limits inter alia determined by the control of the powertrain.
Das Rekuperationsnetz kann zusätzlich über einen Energiespeicher gegenüber Masse stabilisiert werden und/oder Verbraucher versorgen, die unsensibel gegenüber den im Rekuperationsnetz auftretenden Spannungsschwankungen sind.The recuperation network can also have a Energy storage compared to Mass are stabilized and / or supply consumers who are insensitive across from the voltage fluctuations occurring in the recuperation network.
Anstelle eines Generators kann auch ein integrierter, drehfest mit dem Antriebsstrang verbundener oder ein riemengetriebener Startergenerator Anwendung finden.Instead of a generator can also an integrated, or non-rotatably connected to the drive train find a belt driven starter generator application.
Dies bietet den Vorteil, dass die in einem Leistungsenergiespeicher und dem Energiespeicher des Versorgungsbordnetzes gespeicherte Energie wieder dem Startergenerator zugeführt und so die Brennkraftmaschine durch den als Elektromotor wirkenden Startergenerator unterstützt werden kann.This has the advantage that the in a power energy store and the energy store of the power supply on-board network stored energy is returned to the starter generator and so the internal combustion engine through the starter generator acting as an electric motor supports can be.
Den Anschlüssen der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers ist häufig ein Kondensator parallelgeschaltet, der zusammen mit der Steuerung des Wandlers eine Regelung der Spannung auf der zweiten Ein-/Ausgangsseite des ersten Wandlers ermöglicht.The connections on the second input / output side of the first converter is often a capacitor connected in parallel with the controller the converter regulates the voltage on the second input / output side the first converter permits.
Dieser besonders bei Startergeneratoren eingesetzte sog. Zwischenkreiskondensator erhöht an sich die Anforderungen an die Schalteinheit, da ohne den ersten Wandler die Spannungsdifferenzen zwischen den Anschlüssen der Schalter zu hohen Ausgleichsströmen führen würden.This used especially in starter generators So-called intermediate circuit capacitor increases the requirements per se to the switching unit as without the first converter, the voltage differences between the connections the switch would lead to high equalizing currents.
Die Funktion des ersten Wandlers kann hier dazu benutzt werden, die Spannung des Zwischenkreiskondensators so anzupassen, dass die Spannungen auf beiden Seiten eines zu schalten den Schalters ungefähr gleich sind und so ein nahezu lastfreies Schalten möglich ist.The function of the first converter can be used here, the voltage of the intermediate circuit capacitor be adjusted so that the voltages on both sides of a switch the switch approximately are the same and an almost load-free shifting is possible.
Die Energieübertragung vom Generator zum Versorgungsbordnetz kann über das in Serie geschaltete elektrische Bauteil und zusätzlich über einen zweiten Wandler erfolgen, der so angeordnet ist, dass er Energie vom Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz und/oder umgekehrt übertragen kann. Neben der groben Spannungsregelung durch das Zuschalten des ersten elektrischen Bauteils kann die Feinregelung der Spannung über den zweiten Wandler erfolgen.The energy transfer from the generator to the on-board electrical system can about the series-connected electrical component and in addition a second transducer carried out, which is arranged so as to energy can from Rekuperationsnetz in the supply board network and / or vice versa. In addition to the rough voltage regulation by switching on the first one electrical component can fine-tune the voltage across the second transducer carried out.
Weiter ermöglicht der zweiten Wandler eine eventuell erforderliche Erhöhung des Generatorstroms gegenüber dem Strom im Versorgungsbordnetz durch eine Energieübertragung aus dem Versorgungsbordnetz in das Rekuperationsnetz.Further allows the second transducer any necessary increase the generator current over the electricity in the on-board electrical system through energy transmission from the supply system into the recuperation network.
Da nicht die gesamte vom Generator in das Versorgungsbordnetz übertragene Energie über den zweiten Wandler übertragen wird, kann dieser zweite Wandler somit im Vergleich zur Lösung ohne das serielle elektrische Bauteil kleiner dimensioniert werden, was eine Kosten- und Gewichtseinsparung mit sich bringt. Weiter wird der die versorgungsbordnetzseitigen Verbraucher versorgende Akkumulator dadurch geschont, dass die Spannung an diesem Akkumulator stabilisiert und somit dessen Lebensdauer verlängert wird.Since not all of the generator transmitted into the supply system Energy over the second transducer transferred , this second converter can therefore be compared to the solution without the serial electric component to be dimensioned smaller which brings cost and weight savings. Will continue the supply board line-side consumer supplying battery protected by the fact that the voltage on this accumulator stabilizes and thus its service life is prolonged.
Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich sowohl um ein kapazitives Bauteil, wie beispielsweise einen Doppelschichtkondensator oder einen Akkumulator (z.B. NiMH-Akkumulator), als auch um einen ohmsches Bauteil, wie beispielsweise eine elektrische Heizung handeln. Auch ohmsch-induktive Bauteile wie Elektromotoren oder aber auch Kombinationen verschiedener Bauteile können als elektrisches Bauteil zum Einsatz kommen.In the electric component can it is both a capacitive component, such as one Double layer capacitor or a secondary battery (e.g., rechargeable NiMH battery), as well as an ohmic component, such as an electrical one Heating act. Also ohmic-inductive components like electric motors or combinations of different components can be used as electrical component are used.
Das elektrische Bauteil kann die in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie speichern oder in mechanische o der thermische Energie umwandeln. Es ist auch ein Speichern dieser Energie in einem geeigneten Energiespeicher möglich.The electrical component can store kinetic energy converted into electrical energy or convert into mechanical o of thermal energy. It is also storing this energy in a suitable energy store possible.
Der Generator oder Startergenerator kann beispielsweise eine Drehstromasynchronmaschine sein.The generator or a starter generator may be for example a three-phase asynchronous.
Die in den Schalteinheiten benutzten Schalter weisen zwei stabile Zustände auf. Sowohl im leitenden als auch im nichtleitenden Zustand ist es von Vorteil, wenn die Verlustleistung an den Schaltern möglichst gering ist.The used in the switching units Switches have two stable states. Both in conducting and the non-conductive state, it is advantageous if the Power loss at the switches is as low as possible.
Das Versorgungsbordnetz kann als Einspannungs- aber auch als Mehrspannungsbordnetz ausgelegt sein. Bei einem Mehrspannungsbordnetz können zwischen den Teilnetzen, die unterschiedliche Spannungsebenen aufweisen, beispielweise Spannungswandler eingesetzt werden.The supply system can be as Voltage but also be designed as a multi-voltage electrical system. With a multi-voltage on-board network, between the sub-networks, which have different voltage levels, for example voltage converters be used.
Mehrere Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Several embodiments are as follows explained in more detail with reference to the schematic drawings. Show it:
Der Generator ist wechselspannungsseitig mit
einem ersten Spannungswandler
Über eine aus zwei parallel zueinander angeordneten Schaltern S1 und S2 bestehende erste Schalteinheit SE1 kann der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators C zum einen unmittelbar – über elektrische Leitungen – mit einem Versorgungsbordnetz VBN verbunden werden (Schalter S1 geschlossen) und/oder zum anderen mittelbar über ein erstes elektrisches Bauteil mit dem Versorgungsbordnetz VBN elektrisch verbunden (Schalter S2 geschlossen) werden.about a arranged in two parallel switches S1 and S2 existing first switching unit SE1 can be the positive connection of the intermediate circuit capacitor C on the one hand directly - via electrical Lines - with be connected to a supply system VBN (switch S1 closed) and / or the other indirectly via one first electrical component with the VBN electrical supply system are connected (switch S2 closed).
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das erste elektrische Bauteil im Folgenden als Energiespeicher
Das Versorgungsbordnetz VBN weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Akkumulator B2 und Verbraucher v auf. Der Akkumulator B2 ist den Verbrauchern v parallel geschaltet. Über den Verbrauchern v fällt eine zweite Spannung U2, und zwar die Bordnetzspannung, ab.The supply board network VBN has in this embodiment an accumulator B2 and consumer v on. The accumulator B2 v consumers connected in parallel. To consumers v falls a second voltage U2, namely the vehicle electrical system voltage.
Ein zweiter Wandler
Die mittels dieser Schaltung durchgeführten Betriebsabläufe, insbesondere
die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler
Über
den zweiten Wandler
In Abhängigkeit von Betriebszuständen wird die Generatorleistung geregelt. Beispielsweise kann die Generatorleistung, wenn sie einen vorab bestimmten Schwellenwert überschreitet, zunächst auf Null reduziert werden. Auf diese Weise kann der geschlossene Schalter S1 nahezu leistungsfrei geöffnet und die direkte elektrische Verbindung zum Versorgungsbordnetz VBN getrennt werden. Dieser Vorgang tritt beispielsweise bei einem Rekuperationsvorgang auf.Depending on the operating conditions, the Generator power controlled. For example, the generator power, if it exceeds a predetermined threshold, initially to zero be reduced. In this way, the closed switch can S1 virtually power-free and open the direct electrical connection to the VBN supply system is disconnected become. This process occurs for example in a Rekuperationsvorgang on.
Anschließend wird der Zwischenkreiskondensator
C durch den AC/DC-Wandler
Ein zusätzlicher Schalter S5 ermöglicht eine Anpassung
der Spannung des Zwischenkreiskondensators C an die Spannung des
Versorgungsbordnetzes VBN mit Hilfe des DC/DC-Wandlers
Falls nötig kann Energie über den DC/DC-Wandler
Sinkt die Generatorleistung unter einen weiteren vorab bestimmten Schwellenwert, so wird nach Aufladen des Zwischenkreiskondensators der Schalter S2 wieder geöffnet und der Schalter S1 wieder geschlossen.Decreases the generator power under another predetermined threshold, so after charging of the intermediate circuit capacitor, the switch S2 is opened again and closing switch S1 again.
Die Schwellenwerte werden in der
Praxis durch die Anforderungen des Antriebsstranges, aber auch durch
andere Parameter, wie beispielsweise den Ladezustand des Leistungsenergiespeichers oder
die Leistung des DC/DC-Wandlers
Handelt es sich bei dem Energeispeicher
Es können zumindest neun Fahrsituationen unterschieden werden, die entsprechend der Anforderungen an das Kraftfahrzeug implementiert werden:
- – Motor aus:
Es ist keine
Generatorleistung möglich,
lediglich der Energiespeicher versorgt das Versorgungsbordnetz VBN.
Im in
1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dieser Fahrsituation der Schalter S1 offen und der Schalter S2 geschlossen. Der DC/DC-Wandler3 wird als abgeschaltet betrachtet. Der Zwischenkreiskondensator kann wegen der fehlenden Motordrehung in seiner Spannung nicht angepasst werden. Der Zwischenkreiskondensator muss also die Span nung des Speichers aufweisen, der den Generator für den Startvorgang mit Energie versorgt. Diese Fahrsituation tritt auch ein, wenn der Motor beispielsweise an einer Ampel kurzzeitig abgeschaltet wird (Start-Stop-Betrieb). - – Start
(Entladung der Speicher in den Startergenerator):
Der Schalter
S2 ist geschlossen und der Schalter S1 offen. Der DC/DC-Wandler
3 soll in der folgenden Betrachtung seine maximale Leistung in das Versorgungsbordnetz VBN abgeben, um den Akkumulator zu schonen. Hierdurch wird Leistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN übertragen. Die Versorgungsbordnetzspannung U2 wird an die Bedürfnisse des Akkumulators (Temperaturkompensation) über die Leistung des DC/DC-Wandlers3 angepasst. Die maximale Startdauer wird durch die Entladedauer des Energiespeichers4 bestimmt. - – Leerlaufladung
(Ladung des Energiespeichers
4 hat Priorität): Der Schalter S2 ist geschlossen und der Schalter S1 offen. Der DC/DC-Wandler3 wird als abgeschaltet betrachtet. Der Generator G liefert genau den vom Versorgungsbordnetz VBN benötigten Strom, der zusätzlich auch den Energiespeicher4 lädt. Die Generatorleistung wird durch die Spannung des Akkumulators bestimmt (Temperaturkompensation). Bei Erreichen der Maximalspannung des Energiespeicher4 wird die Leerlaufladung beendet. Eventuell muss für diesen Zustand die Leerlaufdrehzahl des Antriebs angehoben werden, damit auch im Leerlauf genügend Energie zur Verfügung gestellt wird. - – Anfahren
(Unterstützung
des Verbrennungsmotors bei sehr kleinen Drehzahlen):
Schalter
S2 ist geschlossen und Schalter S1 offen. Der DC/DC-Wandler
3 überträgt seine Maximalleistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN. Hierdurch wird der Akkumulator entlastet. Der integrierte Startergenerator G arbeitet als Motor. Die Versorgungsbordnetzspannung wird, soweit möglich, an die Bedürfnisse des Akkumulators (Temperaturkompensation) über die Leistung des DC/DC-Wandlers3 angepasst. Nach Entladung des Energiespeichers4 wird der Fahrzustand Anfahren und somit auch die Unterstützung des Antriebs beendet. - – Generatorbetrieb
bei entladenem Energiespeicher
4 Dieser Zustand wird nur erreicht, wenn der Energiespeicher4 komplett entladen ist und dann eine Potenzialdifferenz von 0V zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufweist. Nur der Schalter S1 oder die Schalter S1 und S2 sind geschlossen. Der DC/DC-Wandler3 ist abgeschaltet. Der Generator G liefert genau die vom Versorgungsbordnetz VBN benötigte Leistung und regelt auf die vom Energiespeicher B2 geforderte Spannung (Temperaturkompensation). Es kann sinnvoll sein, diesen Zustand ganz entfallen zu lassen, und den Energiespeicher4 nie komplett zu entladen. - – Generatorbetrieb
mit geladenem Energiespeicher
4 Schalter S2 ist offen und Schalter S1 ist geschlossen. Aus dem Energiespeicher4 liefert der DC/DC-Wandler3 zusammen mit dem Generator den vom Versorgungsbordnetz VBN benötigten Strom. Die Leistung des DC/DC-Wandlers3 orientiert sich am Wirkungsgrad von Antrieb BKM und Generator G. Wenn der Wirkungsgrad hoch ist, sinkt die übertragene Leistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN. Unter Umständen kann sogar Energie aus dem Versorgungsbordnetz VBN in das Rekuperationsnetz übertragen werden. Die Generatorleistung orientiert sich an den Spannungsanforderungen des Akkumulators B2 (Temperaturkompensation). Alternativ kann der Energiespeicher4 auch über einen weiteren Verbraucher zum Versorgungsbordnetz VBN hin oder zu Masse entladen werden. Nach (kompletter) Entladung des Energiespeichers4 wird in den Generatorbetrieb bei entladenem Energiespeicher umgeschaltet. Die Entladung des Energiespeicher4 kann aber auch in einem Teilladezustand beendet werden. - – Rekuperation
(Erhöhte
Leistung des Generators)
Der Schalter S1 ist offen und der
Schalter S2 ist geschlossen. Ausgehend von einem (nahezu) entladenen
Energiespeicher
4 arbeitet der DC/DC-Wandler3 zu Beginn der Rekuperation mit maximaler Leistung und entzieht diese dem Versorgungsbordnetz VBN. Auf diese Weise wird dem Energiespeicher4 Energie zugeführt. Die Spannung des Akkumulators B2 bestimmt die Generatorleistung (Temperaturkompensation). Mit zunehmendem Ladezustand des Energiespeicher4 steigt die Spannung am Generator und daher sinkt bei konstanter Leistung der Strom, sowohl in der in das Rekuperationsnetz fließende, als auch der in das Versorgungsbordnetz VBN fließende Strom. Um diesen Effekt zu kompensieren reduziert sich daher die DC/DC-Wandlerleistung durch den Nullpunkt bis zur maximalen Leistung im Abwärtsbetrieb (vom Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN), um den Strom in das Versorgungsbordnetz VBN konstant zu halten. Kleine Schwankungen im Bedarf des Versorgungsbordnetzes VBN können ebenfalls durch den DC/DC-Wandler3 ausgeglichen werden. Bei Erreichen der Maximalspannung des Energiespeichers4 wir die Rekuperation beendet. - – Leistungssteigerung
(Steigerung der Ausgangsleistung bei Generatoren, deren Leistung
durch Spannungserhöhung
am Ausgang ansteigt)
In bestimmten Drehzahlbereichen des Generators
(insbesondere bei hohen Drehzahlen) steigt die Ausgangsleistung
durch Anhebung der Ausgangsspannung. Reicht die generatorische Leistung
des Generators G nicht zur Versorgung der Verbraucher v aus, so
wird die Abgabeleistung dadurch erhöht, dass die mittlere Spannung
am Generator G größer ist.
Hierzu wird der Ausgang des Wandlers
1 periodisch abwechselnd mit dem Versorgungsbordnetz VBN (niedrige Spannung, S1 geschlossen, S2 offen) und dem Rekuperationsnetz (hohe Spannung, S1 offen, S2 geschlossen) verbunden. Der DC/DC-Wandler3 überträgt in dieser Betriebsart maximale Leistung aus dem Rekuperationsnetz in das Versorgungsbordnetz VBN. - – Interne
Starthilfe (Ladung des Energiespeichers
4 aus dem Energiespeicher B2 des Versorgungsbordnetzes VBN bevor der Motor gestartet wird): Der Schalter S1 ist offen und der Schalter S2 ist geschlossen. Der DC/DC-Wandler3 transferiert seine maximale Leistung aus dem Akkumulator B2 auf das Plus-Spannungsniveau des Energiespeicher4 . Der Generator G arbeitet nicht. Bei Erreichen der minimalen Startspannung über dem Energiespeicher4 wir die interne Starthilfe beendet.
- - Engine off: It is possible no generator power, only the energy store supplies the supply board network VBN. In in
1 illustrated embodiment disclosed in this driving situation the switch S1 and the switch S2 is closed. The DC / DC converter3 is considered to be turned off. The intermediate circuit capacitor can not be adjusted because of the lack of motor rotation in its tension. Thus, the intermediate circuit capacitor has to have the clamping voltage of the memory which supplies the generator with energy for the starting process. This driving situation also occurs when the engine is, for example, switched off for a short time at a traffic light (start-stop operation). - - Start (discharging of the storage in the Starter Generator): The switch S2 is closed and switch S1 is open. The DC / DC converter
3 is to deliver its maximum power in the supply board network VBN, to conserve the battery in the following analysis. In this way, power is transferred from the Rekuperationsnetz in the supply board network VBN. The supply-board voltage U2 to the needs of the accumulator (temperature compensation) on the performance of the DC / DC converter3 customized. The maximum start time is determined by the discharge time of the energy storage4 certainly. - - Idling charging (charging the energy storage
4 has priority): Switch S2 is closed and switch S1 is open. The DC / DC converter3 is considered to be turned off. The generator G delivers exactly the current required from the supply board network VBN, which in addition also the energy storage4 invites. The generator power is determined by the voltage of the battery is determined (temperature compensation). When the maximum voltage of the energy storage is reached4 the idle charge is terminated. the idle speed may need the drive to be raised for this condition, so that enough energy is made available even at idle. - - starting (support of the engine at very low speeds): switch S2 is closed and switch S1 is open. The DC / DC converter
3 transmits its maximum output from the Rekuperationsnetz in the supply board network VBN. This relieves the battery. The integrated starter generator G works as a motor. The supply-board voltage, as far as possible to the needs of the accumulator (temperature compensation) on the performance of the DC / DC converter3 customized. After discharge of the energy store4 the drive start-up state and thus the drive support is ended. - - Generator operation with discharged energy storage
4 This state is only reached when the energy storage4 completely is discharged, and then has a potential difference of 0 V between the first and the second terminal. Only the switch S1 or the switches S1 and S2 are closed. The DC / DC converter3 is switched off. The generator G provides exactly the power required by the vehicle electrical system supply VBN and adjusted to the required by the energy storage voltage B2 (temperature compensation). It may make sense to let this state be completely omitted, and the energy storage4 Never unload completely. - - Generator operation with charged energy storage
4 Switch S2 is open and switch S1 is closed. From the energy storage4 the DC / DC converter supplies3 together with the generator, the power required by the VBN supply system. The performance of the DC / DC converter3 based on the efficiency of the drive and BKM generator G. If the efficiency is high, the transmitted power decreases from the Rekuperationsnetz in the supply board network VBN. Perhaps even energy from the power supply board network VBN can be transferred to the Rekuperationsnetz. The generator power based on the voltage requirements of the battery B2 (temperature compensation). Alternatively, the energy storage device can4 are discharged via a further load to the pension board network VBN or towards mass. After (complete) discharge of the energy store4 is switched to generator operation when the energy storage is discharged. The discharge of the energy storage4 but can also be ended in a partial state of charge. - - recuperation (increased power of the generator), the switch S1 is open and switch S2 is closed. Starting from an (almost) discharged energy storage
4 the DC / DC converter operates3 at the beginning of recuperation with maximum performance and deprives them of the power board network VBN. In this way, the energy storage4 Energy supplied. The voltage of the battery B2 determines the generator power (temperature compensation). With increasing state of charge of the energy storage4 the voltage at the generator rises and therefore the current decreases with constant power, both in the current flowing into the recuperation network and in the current flowing into the supply system VBN. To compensate for this effect, the DC / DC converter power is therefore reduced through the zero point to the maximum power in downward operation (from the recuperation network to the supply system VBN) in order to keep the current in the supply system VBN constant. Small fluctuations in the demand of the supply board network VBN can also through the DC / DC converter3 be balanced. Upon reaching the maximum voltage of the energy storage4 We ended recuperation. - - Increase in output (increase in output power for generators, the output of which increases due to voltage increase at the output) In certain speed ranges of the generator (especially at high speeds), the output power increases by increasing the output voltage. Reaches the regenerative power of the generator G is not to supply the consumer v, so the output power is increased by that the mean voltage at the generator G is larger. For this, the output of the converter
1 periodically alternately to the supply on-board network VBN (low voltage, S1 is closed, S2 open) and the Rekuperationsnetz (high voltage, S1 is open, S2 is closed) is connected. The DC / DC converter3 transferring maximum power from the Rekuperationsnetz in the supply board network VBN in this mode. - - Internal starting aid (charge of the energy store
4 B2 from the energy storage of the vehicle electrical system supply VBN before the engine is started): The switch S1 is open and switch S2 is closed. The DC / DC converter3 transferred its maximum power from the battery B2 to the plus voltage level of the energy storage4 , The generator G is not working. Upon reaching the minimum starting voltage across the energy storage4 we completed the internal jumper.
Über
eine ebenfalls zwei Schalter S1 und S2 umfassende Schalteinheit
SE1 ist hier der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators
C mit einem Anschluss eines ersten elektrischen Bauteils, hier eines
Energiespeichers
Ebenfalls über die erste Schalteinheit
SE1 ist der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators C mit
einem ersten Anschluss eines zweiten elektrischen Bauteils, hier
einem Hochleistungsverbraucher
Der positive Anschluss des Energiespeicher
Alternativ kann der Gleichspannungswandler
Der Generator G liefert hier eine
Spannung in einem Bereich von 30V bis 58V. Die Leistungsabgabe des
Generators G hängt
vom Energiebedarf des Hochleistungsverbrauchers
Der Hochleistungsverbraucher
Über
den Schalter S2 der Schalteinheit SE1 kann der Hochleistungsverbraucher
Der Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes
VBN schwankt in diesem Ausführungsbeispiel je
nach Lastprofil zwischen 200W und 1200W. Der Gleichspannungswandler
Der Energiespeicher
Je größer der Spannungsbereich ist,
in dem der Energiespeichers
Folglich wird, um den Energiespeichers
Bei einer niedrigen Ausgangsspannung
U1 des Generators G (bedingt durch die Spannung über dem Energiespeicher
Das Versorgungsbordnetz VBN muss
in dem zweiten Fall (Schalter S3' geschlossen
und Schalter S4' offen)
den angebotenen Strom durch Verbraucher v aufnehmen können. Etwaige
Stromunterschiede zwischen Hochleistungsverbrauchers
Auch bei der in
In
Funktionell identische Elemente,
wie bei den in den
Ein weiteren Unterschied zu der in
Durch diese Modifikation der Schaltungsanordnung
aus
Darüber hinaus können die Innenwiderstände der Schalter S1 bis S6 zur Strommessung verwendet werden.In addition, the internal resistances the switches S1 to S6 can be used for current measurement.
Die durchgeführten Betriebsabläufe der im dritten Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltungsanordnung werden wie bei den anderen Ausführungsbeispielen von einer nicht dargestellten Steuer-/Regelschaltung gesteuert/geregelt.Carried out operations of the in the third embodiment Circuit arrangement shown are as in the other embodiments controlled / regulated by a control circuit, not shown.
Funktionell identische Elemente,
wie bei den in den
Die Steuerung der Betriebsabläufe der
in den
Alternativ können die Schaltelemente der Schalteinheiten SE1 und SE2 auch durch externe, beispielsweise vom Fahrer ausgelöste, Signale gesteuert werden.Alternatively, the switching elements of the switching units SE1 and SE2 by external, such as caused by the driver, signals to be controlled.
Sicherheitskritische Komponenten können, um eine möglichst zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen, direkt durch den Generator, das Rekuperationsnetz und/oder das Versorgungsbordnetz versorgt werden. Dabei sind diese Komponeneten beispielsweise über Dioden mit den positiven Anschlüssen des Generators, des ersten und des zweiten Teilnetzes verbunden.Safety critical components can to one if possible reliable Ensure energy supply directly from the generator Rekuperationsnetz be supplied and / or the supply board network. These components are, for example, via diodes with the positive ones connections of the generator, the first and the second subnetwork.
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