WO2009098124A1 - Method for controlling an on-board power supply network and corresponding on-board power supply network - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for controlling an electrical system according to the preamble of claim 1 and an electrical system according to the preamble of the claim.
- the method is particularly applicable to a vehicle electrical system of a motor vehicle.
- this usually comprises a storage device for electrical energy, in particular a battery, as well as a driven by the engine of the motor vehicle generator, which converts mechanical energy into electrical energy and this provides for the electrical system.
- the electrical system of a modern motor vehicle includes a plurality of electrical consumers who make very different demands on the electrical system, for example, in terms of reliability, performance, voltage quality or desired voltage level.
- the base unit network for example, with only one nominal voltage is operated by about 14 volts, these different requirement profiles, especially from a cost point of view, are increasingly difficult to meet.
- Three-phase generators whose output current is rectified by means of a diode bridge, since the vehicle electrical system is operated with direct current.
- Such a Three-phase generator comprises a field coil, which is traversed by the field current.
- the field current is regulated by means of a voltage regulator so that the
- Output voltage of the generator is independent of the speed of the generator is approximately constant.
- the amount of voltage that is controlled is usually chosen to be suitable for charging the battery. Depending on various conditions, the voltage is approximately between 12 and 14.5 V.
- a vehicle electrical system voltage of 12 V is no longer sufficient for a large number of consumers or consumers with high power requirements.
- sub-electrical systems are provided which operate with a higher vehicle electrical system voltage of 42 V, for example.
- a generator is controlled to a higher output voltage of, for example, around 42 volts.
- This higher voltage is then provided directly to the sub-board network or the consumers arranged in this sub-board network, which are designed for this higher output voltage.
- the lower voltage required for charging the battery and / or supplying low-voltage loads is then usually derived from the higher voltage by means of a DC-DC converter.
- Conventional DC / DC converters require in addition to power transistors, diodes and capacitors also inductive components and are therefore relatively expensive.
- DE 198 45 569 A1 discloses a device and a method for controlling a generator, for example a claw-pole generator, with which the rectifier bridge adjoining the generator can be short-circuited for a short time, as a result of which
- the invention has for its object to provide an improved electrical system, which makes it possible to reliably supply a variety of electrical consumers with different requirements and this is inexpensive to implement.
- the invention is based on the recognition that an optimal operation of a multi-subnetwork comprehensive on-board network is made possible by the choice of different operating modes, wherein in a first Operating mode only one configured for a low voltage sub-network (base board network) with the generator or generator plate and in a second operating mode, a designed for a higher voltage subnet to the generator or to the generator plate are connected.
- the electrical system provided by the inventive solution allows the supply of numerous electrical consumers, some of which in a so-called
- the solution according to the invention thus advantageously makes it possible to feed in electrical energy both into a base on-board network and into at least one further sub-board network.
- the supply of said vehicle electrical system is not done with individual DC / DC converters that provide the required voltages for the subnets, but with the help of a generator with turn-off Hochsetzfunktion.
- the generator provided for the energy supply can advantageously be operated as a conventional generator for the supply of the base on-board network.
- the generator with downstream generator plate can optionally feed electrical energy into a subnet or multiple subnets, which are designed for a higher voltage.
- Another advantage is that when fed into a subnetwork whose voltage is higher than the voltage of the base-board network, the output power of the generator can be greatly increased. Another advantage is that the cost can be significantly reduced compared to a vehicle electrical system with one or more DC / DC converters, since the generator controller can take over the voltage conversion for the supply of sub-networks with higher voltage. In this case, by means of the boost function of the generator generator energy can be fed into a sub-board network with higher voltage of 42V, for example, even at very low speed of the generator. Another advantage is that the voltage can be regulated to a predefinable value when fed into a sub-board network or multiple sub-electrical systems with a higher voltage. The switchover between the different operating modes, ie the supply of the base-board network or the supply of the sub-network, takes place in an advantageous manner
- a subsystem of the vehicle electrical system designed for a higher voltage level can also comprise an energy store in the form of a double-layer capacitor. This embodiment is particularly suitable for storing the energy obtained by recuperation when braking the vehicle.
- FIG. 1 shows a vehicle electrical system for different voltages with a generator plate and a DC / DC converter
- FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a generator actuator
- Figure 3 shows a second exemplary embodiment of a
- FIG. 4 shows a first embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnets
- Figure 5 is a diagram showing the
- FIG. 6 is another diagram showing the
- Figure 7 is a diagram showing the efficiency as a function of speed
- FIG. 8 shows a second embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnets
- Figure 9 shows a third embodiment of a vehicle electrical system with three coupled subnets
- FIG. 10 shows a fourth exemplary embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnetworks
- Figure 11 shows a fifth embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnets.
- FIG. 1 the essential for understanding the invention components of a vehicle electrical system for a motor vehicle with multiple voltages and a generator are shown first.
- the generator G for example a
- Claw pole generator comprising the stator inductances Ll, L2, L3 and the resistors Rl, R2, R3 representing the winding resistances.
- the generator G generates the line voltages US1, US2, US3, which are formed from the pole wheel voltages U, U2, U3 and the voltages across the resistors R1, R2, R3 and the stator inductances L1, L2, L3. These voltages lead to currents II, 12, 13, which are rectified via the diode bridge DB and form the output current IG of the generator G, which serves to supply the consumers in the electrical system.
- Generator G is carried out with the aid of a voltage regulator R, which controls the field current IF through the field winding F so that adjusts a predetermined voltage.
- the voltage regulator R input signals E are supplied, for example, different voltages and / or currents, the speed of the generator G, etc. Furthermore, the voltage regulator R is able to output output signals A, with the aid of such switches or the like can be operated.
- the generator G is followed by a circuit SCH, which here comprises a transistor T, a diode D and a capacitor C.
- the circuit SCH allows a control of the generator G by the transistor T, which is parallel to the diode bridge DB, temporarily short-circuits the diode bridge DB.
- the switching state of the transistor T is controlled for example by a pulse width modulation stage, which is integrated in the controller R. Short-circuiting the diode bridge DB with the aid of the transistor T causes the energy flow from the generator G to become the components of the vehicle electrical system following in the circuit interrupted. As a result, energy in the stator inductances Ll, L2, L3 of the generator G is buffered. The diode Dl prevents that current flows back and short circuits the following components in the circuit. As soon as the transistor T is controlled in the blocking state, the energy stored in the stator inductances L1, L2, L3 is released in the form of induced voltages which add to the respective pole wheel voltages Ul, U2, U3. This results in a higher output voltage of the generator G. By appropriate control of the
- transistor T can be regulated to an output voltage of 42V.
- the capacitor C at the output of the circuit SCH is used for smoothing the pulsed output current.
- a circuit such as the circuit SCH is also, together with the generator, as
- Generator generator or generator boost converter referred. If the regulation of the generator G by means of the circuit SCH is performed, arises, as already mentioned, at the output of the circuit SCH, a voltage which is substantially increased compared to the conventional voltage of the generator G.
- This part of the on-board network supplies consumers R4 who are designed for this high voltage and require high power. For example, it may be the window heating of a vehicle.
- consumers R5 which are designed for a conventional, low voltage of a vehicle electrical system, for example, 12V, a reduction of the higher voltage level to this lower value is necessary. This is achieved with the aid of a DC-DC converter DCW.
- Each voltage level of the electrical system shown here has its own battery, which are designated in Figure 1 with B42 and B12.
- the disadvantage here is the necessary use of a voltage converter DCW, which in particular at a high power consumption in the low-voltage part of the electrical system large and expensive.
- the invention now shows solutions to how this disadvantage can be overcome by an improved electrical system.
- Figure 2 shows a first embodiment of a
- the generator controller 20 includes a generator 10. Connected to the generator 10 is a circuit arrangement 10.1 which comprises three diodes D1, D2, D3, three transistors T1, T2, T3 and a capacitor C1.
- the transistors are preferably MOSFET
- a preferably pulse-width modulated control signal can be applied, which controls the transistors Tl, T2, T3 acting as switches.
- the circuit 10.1 then works as a boost converter, thus enabling the generation of a higher
- FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a generator actuator 30. Its design substantially corresponds to that already shown in FIG.
- a generator 10 is followed by a B6 bridge DB for the rectification of the generator current.
- the subsequent circuit arrangement 10.2 comprises, in addition to a diode D7 and a capacitor Cl, a transistor T4, in particular a MOSFET transistor.
- the transistor T4 can be controlled via a control signal applied to the terminal A1, preferably a pulse-width-modulated control signal.
- a control signal applied to the terminal A1, preferably a pulse-width-modulated control signal.
- a control signal applied to the terminal A1
- a pulse-width-modulated control signal In the case of pulse width modulated activation of the transistor T4 by the Control signal is at the output of the circuit 10.2 a high voltage U G for the supply of a designed for a higher voltage level sub-electrical system.
- FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a vehicle electrical system 40 with two coupled subnetworks BBN and TBN.
- the subnet BBN is also referred to as the base board network.
- the simplified basic on-board network BBN comprises a starter S, a first battery Bl and electrical consumers R v .
- the subsystem TBN operated at the higher voltage UT> UB comprises a second battery B2 and at least one electrical consumer RT. This electrical load RT can also be representative of a larger number of electrical consumers that are supplied via the subnet TBN.
- the battery B2 can optionally be omitted or replaced by another storage for electrical energy, such as in particular a double-layer capacitor.
- a generator with generator plate is provided for the supply of the two subnets TBN and BBN .
- the generator plate 20 shown in FIG. 2 or the generator plate 30 shown in FIG. 3 can advantageously be used as the generator plate.
- the generator G of the generator actuator 20, 30 may be advantageously designed as a claw pole generator.
- the output voltage output by the generator plate 20, 30 is designated by UG.
- Subnetwork TBN is connected to the output of generator generator 20, 30 via a diode D8 polarized in the direction of flow.
- This switch Sl can be designed, for example, as a semiconductor switch or as a relay be .
- Generator plate 20 shown For the embodiment with the generator plate 30 applies accordingly. If the selected operating strategy requires that energy be fed into the subnetwork BBN, then the output voltage UG of the generator controller 20 becomes the operating voltage UB of this
- the MOSFET transistors Tl, T2, T3 of the generator actuator 20 are controlled so that electrical energy is fed into the subnet TBN.
- the control of the transistors Tl, T2, T3 can thereby advantageously by a pulse width modulated signal respectively.
- the generator plate 20 is operated in Hochsetzfunktion. If the speed of the generator G is so high that the output voltage UG of the generator G reaches the voltage UT + UD with UD> 0 even with a passive B6 bridge circuit, then the boosting function of the
- the MOSFET transistors Tl, T2, T3 are controlled in this operating mode so that they lock.
- the value of the speed at which the switching between the boost converter operation and the B6 rectification takes place can be carried out in accordance with the selected operating strategy
- Variation of the excitation current of the generator G can be changed.
- the boost function is switched off, the output voltage is only regulated by the exciter current of the generator G to the setpoint.
- An essential advantage of the invention is that it is possible to increase the output power and the efficiency when feeding energy into a subnetwork.
- the possible increase in available output power is shown in Figure 6, which shows the output power as a function of the speed of the generator for some selected speed values.
- the left-hand bar represents the output power of a generator designed for an output voltage of 14 V when operating with a passive B6 bridge.
- the rightmost bar represents the output power of the same generator when fed into a subnetwork with an operating voltage of 42 V. At a speed of the generator G, for example, 6000 rev / min, the output power is many times higher.
- FIG. 7 further shows a diagram showing the efficiency as a function of the rotational speed of the generator G.
- FIG 8 second embodiment of a vehicle network consisting of two coupled subnets BBN and TBN differs from the embodiment shown in Figure 4 in that instead of the diode Dl, a switch S2 is provided.
- the supply of multiple subnets TBNl, TBN2 allows with deviating from the voltage of the base board network BBN voltages.
- the structure of the base on-board network BBN again corresponds to that which has already been described in connection with the exemplary embodiments described in FIG. 4 and FIG.
- the subnetwork TBN1 also essentially corresponds to the subnetwork TBN already shown in FIG. 4 and FIG.
- a second subnetwork TBN2 is additionally provided in this development of the invention. This simplified illustrated
- Subnetwork TBN2 comprises, in addition to a further switch S3, a battery B3 and an electrical consumer RT2.
- the voltages UT1, UT2 of the subnetworks TBN1, TBN2 may be different or the same height, depending on the requirements of the electrical consumers, RT1, RT2. However, it applies here that the voltages UT1, UT2 of the subnetworks TBN1, TBN2 are greater than the voltage UB of the base on-board network BBN.
- the control of the respective operating modes for the supply of the subnetworks BBN, TBN1, TBN2 takes place by means of the mentioned switches S1, S2, S3.
- the illustrated in Figure 10 fourth embodiment of the invention is particularly suitable for the recovery of electrical energy by recuperation in the deceleration of the vehicle.
- a battery B2 can advantageously be used in the subnet TBN a capacitive energy storage, in particular a double-layer capacitor DCAP.
- the generator plate 20, 30 converts the kinetic energy produced by the braking process into electrical
- the double-layer capacitor DCAP stores the recovered energy and can thus supply consumers RT, which require a higher operating voltage UT.
- a DC-DC converter (DC / DC converter DC1) is additionally provided here, which is connected between both subnetworks BBN and TBN.
- the DC-DC converter DCl converts the higher voltage UT of the sub-network TBN into the lower voltage UB of the sub-network BBN and feeds this with electrical energy which is taken from the double-layer capacitor DCAP1. Since the energy taken from the double-layer capacitor DCAP1 can be fed into the sub-network BBN over a relatively long period of time, it is possible to use a DC / DC converter DC1 with comparatively low power, which can be produced cost-effectively.
- an interconnection of the phase windings of the generator G in addition to the interconnection of the phase windings of the generator G in delta connection, an interconnection of the phase windings can be provided in star connection.
- the generator G can be advantageously designed as a claw pole generator. Alternatively, however, generators can be used in other construction, such as synchronous machines. It is also possible to use generators with more than three strand windings.
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Abstract
Description
15 . 01 . 2008 15. 01. 2008
ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGARTROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART
Beschreibungdescription
Titeltitle
Verfahren für die Steuerung eines elektrischen Bordnetzes und elektrisches BordnetzMethod for controlling an electrical vehicle electrical system and electrical system
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung eines elektrischen Bordnetzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein elektrisches Bordnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs. Das Verfahren ist insbesondere für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs anwendbar. Für die Versorgung der Verbraucher des Bordnetzes umfasst dieses üblicherweise eine Speichereinrichtung für elektrische Energie, insbesondere eine Batterie, sowie einen von dem Motor des Kraftfahrzeugs angetriebenen Generator, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und diese für das Bordnetz bereitstellt. Das elektrische Bordnetz eines modernen Kraftfahrzeugs umfasst eine Vielzahl elektrischer Verbraucher, die beispielsweise hinsichtlich Zuverlässigkeit, Leistung, Spannungsqualität oder gewünschter Spannungshöhe sehr unterschiedliche Anforderungen an das Bordnetz stellen. Mit einem herkömmlichen Bordnetz, im Folgenden als Basisbordnetz bezeichnet, das beispielsweise mit nur einer Sollspannung von etwa 14 Volt betrieben wird, können diese unterschiedlichen Anforderungsprofile, insbesondere auch unter Kostengesichtspunkten, immer schwerer erfüllt werden.The invention relates to a method for controlling an electrical system according to the preamble of claim 1 and an electrical system according to the preamble of the claim. The method is particularly applicable to a vehicle electrical system of a motor vehicle. For the supply of the consumers of the on-board network, this usually comprises a storage device for electrical energy, in particular a battery, as well as a driven by the engine of the motor vehicle generator, which converts mechanical energy into electrical energy and this provides for the electrical system. The electrical system of a modern motor vehicle includes a plurality of electrical consumers who make very different demands on the electrical system, for example, in terms of reliability, performance, voltage quality or desired voltage level. With a conventional electrical system, hereinafter referred to as the base unit network, for example, with only one nominal voltage is operated by about 14 volts, these different requirement profiles, especially from a cost point of view, are increasingly difficult to meet.
Es wurde bereits versucht, abgewandelte Teilnetze mit einem Basisbordnetz zu koppeln, um auf diese Weise unterschiedliche Anforderungen elektrischer Verbraucher erfüllen zu können. Unterscheiden sich dabei die Spannungsebenen von Basisbordnetz und gekoppeltem Teilnetz, so wurde die Kopplung zwischen den genannten Netzen mit Hilfe von DC/DC-Wandlern durchgeführt. Diese Lösung ist jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer. Hohe Kosten und Raumbedarf entstehen insbesondere durch die in den Wandlern eingesetzten Transformatoren und Drosseln, die bei hohen Strömen und Leistungen groß und schwer sind. So muss beispielsweise die energieführende Drossel eines Drossel- Hochsetzstellers für den maximal auftretenden transienten Spitzenstrom dimensioniert werden.An attempt has already been made to couple modified subnetworks with a base on-board network in order to be able to meet different requirements of electrical consumers in this way. If the voltage levels of the base-board network and the coupled sub-network differ, the coupling between the named networks was carried out with the aid of DC / DC converters. However, this solution is relatively expensive and expensive. High costs and space requirements arise in particular due to the transformers and chokes used in the converters, which are large and heavy at high currents and outputs. For example, the energy-carrying inductor of a choke boost converter must be dimensioned for the maximum transient peak current that occurs.
Ein anderer bekannter Lösungsansatz besteht darin, einen freien Generatorbetrieb für die Versorgung von Hochstromverbrauchern zu realisieren. In diesem Fall variiert die Generatorspannung zumindest zeitweilig in einem Bereich von beispielsweise 12 V bis 42 V. Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die Spannung im freien Generatorbetrieb nicht geregelt wird und die elektrischen Verbraucher daher auf einen großen Spannungsbereich hin ausgelegt werden müssen.Another known approach is to realize a free generator operation for the supply of high current loads. In this case, the generator voltage varies at least temporarily in a range of, for example, 12 V to 42 V. However, a significant disadvantage of this solution is that the voltage in free generator operation is not regulated and the electrical loads therefore have to be designed for a wide voltage range.
Zur Erzeugung der im Kraftfahrzeug benötigten Energie werden heute üblicherweise Klauenpolgeneratoren eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Drehstromgeneratoren, deren Ausgangsstrom mit Hilfe einer Diodenbrücke gleichgerichtet wird, da das Bordnetz mit Gleichstrom betrieben wird. Ein derartiger Drehstromgenerator umfasst eine Feldspule, die von dem Feldstrom durchflössen wird. Der Feldstrom wird mit Hilfe eines Spannungsreglers so geregelt, dass dieTo generate the energy required in the motor vehicle claw pole generators are usually used today. These are three-phase generators whose output current is rectified by means of a diode bridge, since the vehicle electrical system is operated with direct current. Such a Three-phase generator comprises a field coil, which is traversed by the field current. The field current is regulated by means of a voltage regulator so that the
Ausgangsspannung des Generators unabhängig von der Drehzahl des Generators in etwa konstant ist. Die Höhe der Spannung, auf die geregelt wird, wird üblicherweise so gewählt, dass sie zur Ladung der Batterie geeignet ist. Abhängig von verschiedenen Bedingungen liegt die Spannung etwa zwischen 12 und 14,5 V. Bei einem modernen Bordnetz besteht das Problem, dass eine Bordnetzspannung von 12 V für eine große Anzahl von Verbrauchern oder für Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf nicht mehr ausreicht. Zusätzlich zu einem so genannten Basisbordnetz mit der zuvor genannten Spannungsebene werden daher Teilbordnetze vorgesehen, die mit einer höheren Bordnetzspannung von beispielsweise 42 V operieren. Insbesondere zur Versorgung der Verbraucher in diesen Teilbordnetzen sind Lösungen bekannt, bei denen ein Generator auf eine höhere Ausgangsspannung von beispielsweise rund 42 V geregelt wird. Diese höhere Spannung wird dann direkt dem Teilbordnetz bzw. den in diesem Teilbordnetz angeordneten Verbrauchern zur Verfügung gestellt, die für diese höhere Ausgangsspannung ausgelegt sind. Die für die Ladung der Batterie und/oder die Versorgung von Verbrauchern mit niedriger Versorgungsspannung benötigte niedrigere Spannung wird dann üblicherweise mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandler) aus der höheren Spannung abgeleitet. Herkömmliche DC/DC-Wandler benötigen neben Leistungstransistoren, Dioden und Kondensatoren auch noch induktive Bauelemente und sind daher relativ aufwendig.Output voltage of the generator is independent of the speed of the generator is approximately constant. The amount of voltage that is controlled is usually chosen to be suitable for charging the battery. Depending on various conditions, the voltage is approximately between 12 and 14.5 V. In a modern electrical system, there is the problem that a vehicle electrical system voltage of 12 V is no longer sufficient for a large number of consumers or consumers with high power requirements. In addition to a so-called base-board network with the aforementioned voltage level, therefore, sub-electrical systems are provided which operate with a higher vehicle electrical system voltage of 42 V, for example. In particular, to supply the consumers in these sub-board networks solutions are known in which a generator is controlled to a higher output voltage of, for example, around 42 volts. This higher voltage is then provided directly to the sub-board network or the consumers arranged in this sub-board network, which are designed for this higher output voltage. The lower voltage required for charging the battery and / or supplying low-voltage loads is then usually derived from the higher voltage by means of a DC-DC converter. Conventional DC / DC converters require in addition to power transistors, diodes and capacitors also inductive components and are therefore relatively expensive.
Dies gilt für transformatorische Wandler mit Übertrager und Glättungsdrossel und für potentialgebundene Drosselwandler mit einer Speicherdrossel. Bei einer Auslegung für hohe Strombelastung bzw. Leistungsanforderung sind diese Bauelemente groß schwer und teuer. Beispielsweise muss die energieführende Drossel eines Drossel-Hochsetzstellers entsprechend dem maximal auftretenden transienten Spitzenstrom dimensioniert werden.This applies to transformers with transformer and smoothing reactor and non-floating reactor with a storage choke. In a design for high current load or power requirement these are Components big heavy and expensive. For example, the energy-carrying throttle of a throttle boost converter must be dimensioned according to the maximum transient peak current occurring.
Aus DE 198 45 569 Al sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Generators, beispielsweise eines Klauenpolgenerators, bekannt, mit dem die sich an den Generator anschließende Gleichrichterbrücke kurzzeitig kurzgeschlossen werden kann, wodurch in denDE 198 45 569 A1 discloses a device and a method for controlling a generator, for example a claw-pole generator, with which the rectifier bridge adjoining the generator can be short-circuited for a short time, as a result of which
Ständerinduktivitäten Energie zwischengespeichert wird, die zu höheren Strangspannungen führt. Durch geeignete Wahl der Ansteuerfrequenz für einen Transistor , der das Kurzschließen der Diodenbrücke ermöglicht, lässt sich eine Ausgangsspannung des Generators auf einem gewünschtenStänderinduktivitäten energy is stored, which leads to higher strand voltages. By a suitable choice of the drive frequency for a transistor, which enables the short-circuiting of the diode bridge, an output voltage of the generator can be set to a desired one
Spannungsniveau einstellen, das gegenüber der herkömmlichen Bordnetzspannung deutlich höher liegt.Set voltage level, which is significantly higher than the conventional vehicle electrical system voltage.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Technische AufgabeTechnical task
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes elektrisches Bordnetz anzugeben, das es ermöglicht, eine Vielzahl elektrischer Verbraucher mit unterschiedlichen Anforderungen betriebssicher zu versorgen und das dabei kostengünstig realisierbar ist.The invention has for its object to provide an improved electrical system, which makes it possible to reliably supply a variety of electrical consumers with different requirements and this is inexpensive to implement.
Technische LösungTechnical solution
Ausgehend von einem Bordnetz der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein optimaler Betrieb eines mehrere Teilnetze umfassenden Bordnetzes durch die Wahl unterschiedlicher Betriebsmodi ermöglicht wird, wobei in einem ersten Betriebsmodus lediglich ein für eine niedrige Spannung ausgelegtes Teilnetz (Basisbordnetz) mit dem Generator bzw. Generatorsteller und in einem zweiten Betriebsmodus ein für eine höhere Spannung ausgelegtes Teilnetz mit dem Generator bzw. mit dem Generatorsteller verbunden werden.Based on a vehicle electrical system of the type mentioned, this object is achieved by the features mentioned in claim 1. The invention is based on the recognition that an optimal operation of a multi-subnetwork comprehensive on-board network is made possible by the choice of different operating modes, wherein in a first Operating mode only one configured for a low voltage sub-network (base board network) with the generator or generator plate and in a second operating mode, a designed for a higher voltage subnet to the generator or to the generator plate are connected.
Vorteilhafte WirkungenAdvantageous effects
Das durch die erfinderische Lösung bereitgestellte Bordnetz ermöglicht die Versorgung zahlreicher elektrischer Verbraucher, die zum Teil in einem so genanntenThe electrical system provided by the inventive solution allows the supply of numerous electrical consumers, some of which in a so-called
Basisbordnetz mit einer herkömmlichen vergleichsweise niedrigen Spannung von etwa 14V und die zum Teil in mindestens einem weiteren Teilbordnetz angeordnet sind, dessen Spannung sich von derjenigen des Basisbordnetzes unterscheidet, insbesondere höher ist als diese und beispielsweise 42V beträgt. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit in vorteilhafter Weise die Einspeisung elektrischer Energie sowohl in ein Basisbordnetz als auch in mindestens ein weiteres Teilbordnetz. Abweichend von bisher bekannten Lösungen erfolgt die Versorgung der genannten Bordnetze nicht mit einzelnen DC/DC-Wandlern, die die erforderlichen Spannungen für die Teilnetze bereitstellen, sondern mit Hilfe eines Generators mit abschaltbarer Hochsetzfunktion. In vorteilhafter Weise kann dabei der für die Energieversorgung vorgesehene Generator als konventioneller Generator für die Versorgung des Basisbordnetzes betrieben werden. Zusätzlich kann der Generator mit nachgeschaltetem Generatorsteller wahlweise elektrische Energie in ein Teilnetz oder mehrere Teilnetze einspeisen, die für eine höhere Spannung ausgelegt sind.Base board network with a conventional comparatively low voltage of about 14V and which are arranged in part in at least one other sub-board network, the voltage of which differs from the base on-board network, in particular is higher than this and, for example, 42V. The solution according to the invention thus advantageously makes it possible to feed in electrical energy both into a base on-board network and into at least one further sub-board network. Notwithstanding previously known solutions, the supply of said vehicle electrical system is not done with individual DC / DC converters that provide the required voltages for the subnets, but with the help of a generator with turn-off Hochsetzfunktion. In this case, the generator provided for the energy supply can advantageously be operated as a conventional generator for the supply of the base on-board network. In addition, the generator with downstream generator plate can optionally feed electrical energy into a subnet or multiple subnets, which are designed for a higher voltage.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der Einspeisung in ein Teilnetz, dessen Spannung höher ist als die Spannung des Basisbordnetzes, die Ausgangsleistung des Generators stark erhöht werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kosten im Vergleich zu einem Bordnetz mit einem oder mehreren DC/DC- Wandlern erheblich reduziert werden können, da der Generatorsteller die Spannungswandlung für die Versorgung von Teilbordnetzen mit höherer Spannung übernehmen kann. Dabei kann mittels der Hochsetzfunktion des Generatorstellers Energie in ein Teilbordnetz mit höherer Spannung von beispielsweise 42V auch bei sehr niedriger Drehzahl des Generators eingespeist werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Spannung bei Einspeisung in ein Teilbordnetz oder mehrere Teilbordnetze mit einer höheren Spannung auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden kann. Die Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsarten, also der Speisung des Basisbordnetzes bzw. der Speisung der Teilbordnetze, erfolgt in vorteilhafterAnother advantage is that when fed into a subnetwork whose voltage is higher than the voltage of the base-board network, the output power of the generator can be greatly increased. Another advantage is that the cost can be significantly reduced compared to a vehicle electrical system with one or more DC / DC converters, since the generator controller can take over the voltage conversion for the supply of sub-networks with higher voltage. In this case, by means of the boost function of the generator generator energy can be fed into a sub-board network with higher voltage of 42V, for example, even at very low speed of the generator. Another advantage is that the voltage can be regulated to a predefinable value when fed into a sub-board network or multiple sub-electrical systems with a higher voltage. The switchover between the different operating modes, ie the supply of the base-board network or the supply of the sub-network, takes place in an advantageous manner
Weise mittels steuerbarer Schalter. Durch Zwischenschaltung eines kostengünstigen Spannungswandlers geringer Leistung zwischen ein für eine höhere Spannung ausgelegtes Teilnetz und ein für eine niedrigere Spannung ausgelegtes Teilnetz kann das letztgenannte Teilnetz weiterhin vorteilhaft kontinuierlich mit Energie versorgt werden. Besonders vorteilhaft kann ein für eine höhere Spannungsebene ausgelegtes Teilnetz des Bordnetzes auch einen Energiespeicher in Gestalt eines Doppelschichtkondensators umfassen. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für die Speicherung der mittels Rekuperation gewonnenen Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und der Zeichnung.Way by means of controllable switches. By interposing a low-cost voltage converter low power between a designed for a higher voltage subnet and designed for a lower voltage subnet the latter subnet can continue to be advantageous continuously supplied with energy. Particularly advantageously, a subsystem of the vehicle electrical system designed for a higher voltage level can also comprise an energy store in the form of a double-layer capacitor. This embodiment is particularly suitable for storing the energy obtained by recuperation when braking the vehicle. Further advantages will become apparent from the description, the dependent claims and the drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. Showing:
Figur 1 ein Bordnetz für unterschiedliche Spannungen mit einem Generatorsteller und einem DC/DC-Wandler; Figur 2 eine erste beispielhafte Ausführung eines Generatorstellers;Figure 1 shows a vehicle electrical system for different voltages with a generator plate and a DC / DC converter; FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a generator actuator;
Figur 3 eine zweite beispielhafte Ausführung einesFigure 3 shows a second exemplary embodiment of a
Generatorstellers;Generator plate;
Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten Teilnetzen;4 shows a first embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnets;
Figur 5 ein Diagramm mit Darstellung derFigure 5 is a diagram showing the
Ausgangsleistung als Funktion der Drehzahl des Generatorstellers bei Einspeisung in ein Teilnetz des Bordnetzes;Output power as a function of the speed of the generator actuator when fed into a subnetwork of the electrical system;
Figur 6 ein weiteres Diagramm mit Darstellung derFigure 6 is another diagram showing the
Ausgangsleistung als Funktion der Drehzahl des Generatorstellers;Output power as a function of the speed of the generator actuator;
Figur 7 ein Diagramm mit Darstellung des Wirkungsgrads als Funktion der Drehzahl;Figure 7 is a diagram showing the efficiency as a function of speed;
Figur 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten Teilnetzen;8 shows a second embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnets;
Figur 9 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit drei gekoppelten Teilnetzen;Figure 9 shows a third embodiment of a vehicle electrical system with three coupled subnets;
Figur 10 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten Teilnetzen;FIG. 10 shows a fourth exemplary embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnetworks;
Figur 11 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes mit zwei gekoppelten Teilnetzen. Ausführungsformen der ErfindungFigure 11 shows a fifth embodiment of a vehicle electrical system with two coupled subnets. Embodiments of the invention
In Figur 1 sind zunächst die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit mehreren Spannungen und einem Generator dargestellt. Der Generator G, beispielsweise einIn Figure 1, the essential for understanding the invention components of a vehicle electrical system for a motor vehicle with multiple voltages and a generator are shown first. The generator G, for example a
Klauenpolgenerator, umfasst die Ständerinduktivitäten Ll, L2, L3 sowie die die Wicklungswiderstände repräsentierenden Widerstände Rl, R2 , R3. Der Generator G erzeugt die Strangspannungen USl, US2, US3, die aus den Polradspannungen U, U2, U3 und den Spannungen an den Widerständen Rl, R2, R3 und den Ständerinduktivitäten Ll, L2 , L3 gebildet werden. Diese Spannungen führen zu Strömen II, 12, 13, die über die Diodenbrücke DB gleichgerichtet werden und den Ausgangsstrom IG des Generators G bilden, der zur Versorgung der Verbraucher in dem Bordnetz dient. Die Regelung desClaw pole generator, comprising the stator inductances Ll, L2, L3 and the resistors Rl, R2, R3 representing the winding resistances. The generator G generates the line voltages US1, US2, US3, which are formed from the pole wheel voltages U, U2, U3 and the voltages across the resistors R1, R2, R3 and the stator inductances L1, L2, L3. These voltages lead to currents II, 12, 13, which are rectified via the diode bridge DB and form the output current IG of the generator G, which serves to supply the consumers in the electrical system. The regulation of
Generators G erfolgt mit Hilfe eines Spannungsreglers R, der den Feldstrom IF durch die Feldwicklung F so regelt, dass sich eine vorgebbare Spannung einstellt. Dem Spannungsregler R werden Eingangssignale E zugeführt, beispielsweise verschiedene Spannungen und/oder Ströme, die Drehzahl des Generators G, usw. Weiterhin ist der Spannungsregler R in der Lage, Ausgangssignale A abzugeben, mit deren Hilfe beispielsweise Schalter oder ähnliches betätigt werden können. An den Generator G schließt sich eine Schaltungsanordnung SCH an, die hier einen Transistor T, eine Diode D und einen Kondensator C umfasst. Die Schaltungsanordnung SCH ermöglicht eine Regelung des Generators G, indem der Transistor T, der parallel zu der Diodenbrücke DB liegt, zeitweise die Diodenbrücke DB kurzschließt. Der Schaltzustand des Transistors T wird beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulationsstufe gesteuert, die in den Regler R integriert ist. Durch kurzzeitiges Kurzschließen der Diodenbrücke DB mit Hilfe des Transistors T wird der Energiefluss von dem Generator G zu den im Stromkreis folgenden Komponenten des Bordnetzes unterbrochen. Dadurch wird Energie in den Ständerinduktivitäten Ll, L2 , L3 des Generators G zwischengespeichert. Die Diode Dl verhindert dabei, dass Strom zurückfließt und im Stromkreis folgende Komponenten kurzschließt. Sobald der Transistor T in den Sperrzustand gesteuert wird, wird die in den Ständerinduktivitäten Ll, L2, L3 gespeicherte Energie in Form induzierter Spannungen freigegeben, die sich zu den jeweiligen Polradspannungen Ul, U2 , U3 addieren. Dies hat eine höhere Ausgangsspannung des Generators G zur Folge. Durch entsprechende Steuerung desGenerator G is carried out with the aid of a voltage regulator R, which controls the field current IF through the field winding F so that adjusts a predetermined voltage. The voltage regulator R input signals E are supplied, for example, different voltages and / or currents, the speed of the generator G, etc. Furthermore, the voltage regulator R is able to output output signals A, with the aid of such switches or the like can be operated. The generator G is followed by a circuit SCH, which here comprises a transistor T, a diode D and a capacitor C. The circuit SCH allows a control of the generator G by the transistor T, which is parallel to the diode bridge DB, temporarily short-circuits the diode bridge DB. The switching state of the transistor T is controlled for example by a pulse width modulation stage, which is integrated in the controller R. Short-circuiting the diode bridge DB with the aid of the transistor T causes the energy flow from the generator G to become the components of the vehicle electrical system following in the circuit interrupted. As a result, energy in the stator inductances Ll, L2, L3 of the generator G is buffered. The diode Dl prevents that current flows back and short circuits the following components in the circuit. As soon as the transistor T is controlled in the blocking state, the energy stored in the stator inductances L1, L2, L3 is released in the form of induced voltages which add to the respective pole wheel voltages Ul, U2, U3. This results in a higher output voltage of the generator G. By appropriate control of the
Transistors T kann beispielsweise auf eine Ausgangsspannung von 42V geregelt werden. Der Kondensator C an dem Ausgang der Schaltungsanordnung SCH dient zur Glättung des gepulsten Ausgangsstroms. Eine Schaltung wie die Schaltungsanordnung SCH wird auch, zusammen mit dem Generator, alsFor example, transistor T can be regulated to an output voltage of 42V. The capacitor C at the output of the circuit SCH is used for smoothing the pulsed output current. A circuit such as the circuit SCH is also, together with the generator, as
Generatorsteller oder Generatorhochsetzsteller bezeichnet. Wenn die Regelung des Generators G mit Hilfe der Schaltungsanordnung SCH erfolgt, entsteht, wie zuvor schon erwähnt, an dem Ausgang der Schaltungsanordnung SCH eine Spannung, die gegenüber der herkömmlichen Spannung des Generators G wesentlich erhöht ist. Mit diesem Teil des Bordnetzes werden Verbraucher R4 versorgt, die für diese hohe Spannung ausgelegt sind und eine hohe Leistung benötigen. Beispielsweise kann es sich um die Scheibenheizung eines Fahrzeugs handeln. Für den Betrieb von Verbrauchern R5, die für eine herkömmliche, niedrige Spannung eines Bordnetzes von beispielsweise 12V ausgelegt sind, ist eine Herabsetzung des höheren Spannungspegels auf diesen niedrigeren Wert notwendig. Dies wird mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers DCW erreicht. Jede Spannungsebene des hier dargestellten Bordnetzes besitzt eine eigene Batterie, die in Figur 1 mit B42 und B12 bezeichnet sind. Nachteilig ist hier der notwendige Einsatz eines Spannungswandlers DCW, der insbesondere bei einem hohen Leistungsbedarf in dem Niedervoltteil des Bordnetzes groß und teuer ist. Die Erfindung zeigt nun Lösungen auf, wie dieser Nachteil durch ein verbessertes Bordnetz überwunden werden kann.Generator generator or generator boost converter referred. If the regulation of the generator G by means of the circuit SCH is performed, arises, as already mentioned, at the output of the circuit SCH, a voltage which is substantially increased compared to the conventional voltage of the generator G. This part of the on-board network supplies consumers R4 who are designed for this high voltage and require high power. For example, it may be the window heating of a vehicle. For the operation of consumers R5, which are designed for a conventional, low voltage of a vehicle electrical system, for example, 12V, a reduction of the higher voltage level to this lower value is necessary. This is achieved with the aid of a DC-DC converter DCW. Each voltage level of the electrical system shown here has its own battery, which are designated in Figure 1 with B42 and B12. The disadvantage here is the necessary use of a voltage converter DCW, which in particular at a high power consumption in the low-voltage part of the electrical system large and expensive. The invention now shows solutions to how this disadvantage can be overcome by an improved electrical system.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei wird zunächst auf die in Figur 2 und Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiele von Generatorstellern eingegangen.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. In this case, the embodiments of generator actuators shown in FIG. 2 and FIG. 3 will first be discussed.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einesFigure 2 shows a first embodiment of a
Generatorstellers 20. Der Generatorsteller 20 umfasst einen Generator 10. Mit dem Generator 10 ist eine Schaltungsanordnung 10.1 verbunden, die drei Dioden Dl, D2, D3, drei Transistoren Tl, T2, T3 und einen Kondensator Cl umfasst. Bei den Transistoren handelt es sich vorzugsweise um MOSFET-Generator controller 20. The generator controller 20 includes a generator 10. Connected to the generator 10 is a circuit arrangement 10.1 which comprises three diodes D1, D2, D3, three transistors T1, T2, T3 and a capacitor C1. The transistors are preferably MOSFET
Transistoren. Am Anschluss Al der Schaltungsanordnung kann ein vorzugsweise pulsweitenmoduliertes Steuersignal angelegt werden, das die als Schalter wirkenden Transistoren Tl, T2, T3 ansteuert. Die Schaltungsanordnung 10.1 arbeitet dann als Hochsetzsteller und ermöglicht so die Erzeugung einer höherenTransistors. At the terminal A1 of the circuit arrangement, a preferably pulse-width modulated control signal can be applied, which controls the transistors Tl, T2, T3 acting as switches. The circuit 10.1 then works as a boost converter, thus enabling the generation of a higher
Spannung für die Speisung eines Teilbordnetzes, das ein höheres Spannungsniveau als ein Basisbordnetz benötigt.Voltage for the supply of a sub-board network, which requires a higher voltage level than a base-board network.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Generatorstellers 30. Dessen Ausführung entspricht im Wesentlichen dem schon in Figur 1 dargestelltenFIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a generator actuator 30. Its design substantially corresponds to that already shown in FIG
Generatorsteller. An einen Generator 10 schließt sich eine B6- Brücke DB für die Gleichrichtung des Generatorstroms an. Die darauf folgende Schaltungsanordnung 10.2 umfasst neben einer Diode D7 und einem Kondensator Cl einen Transistor T4, insbesondere einen MOSFET-Transistor . Der Transistor T4 ist über ein an den Anschluss Al angelegtes Steuersignal, vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal, steuerbar. Bei pulsweitenmodulierter Ansteuerung des Transistors T4 durch das Steuersignal steht an dem Ausgang der Schaltungsanordnung 10.2 eine hochgesetzte Spannung UG für die Speisung eines für ein höheres Spannungsniveau ausgelegten Teilbordnetzes an.Generator plate. A generator 10 is followed by a B6 bridge DB for the rectification of the generator current. The subsequent circuit arrangement 10.2 comprises, in addition to a diode D7 and a capacitor Cl, a transistor T4, in particular a MOSFET transistor. The transistor T4 can be controlled via a control signal applied to the terminal A1, preferably a pulse-width-modulated control signal. In the case of pulse width modulated activation of the transistor T4 by the Control signal is at the output of the circuit 10.2 a high voltage U G for the supply of a designed for a higher voltage level sub-electrical system.
Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes 40 mit zwei gekoppelten Teilnetzen BBN und TBN. Das Teilnetz BBN wird auch als Basisbordnetz bezeichnet. BBN ist ein herkömmliches Bordnetz, das bei der üblichen Spannung von UB = 14V betrieben wird. Das vereinfacht dargestellte Basisbordnetz BBN umfasst einen Starter S, eine erste Batterie Bl und elektrische Verbraucher Rv. Das bei der höheren Spannung UT > UB betriebene Teilnetz TBN umfasst eine zweite Batterie B2 und mindestens einen elektrischen Verbraucher RT. Dieser elektrische Verbraucher RT kann auch stellvertretend für eine größere Anzahl elektrischer Verbraucher stehen, die über das Teilnetz TBN versorgt werden. Abhängig von der Betriebsführung und der Charakteristik der elektrischen Verbraucher RT kann die Batterie B2 wahlweise entfallen oder aber durch einen anderen Speicher für elektrische Energie, wie insbesondere einen Doppelschichtkondensator, ersetzt werden. Für die Versorgung der beiden Teilnetze TBN und BBN ist ein Generator mit Generatorsteller vorgesehen. Als Generatorsteller kann vorteilhaft der in Figur 2 dargestellte Generatorsteller 20 oder der in Figur 3 dargestellte Generatorsteller 30 eingesetzt werden. Der Generator G des Generatorstellers 20, 30 kann vorteilhaft als Klauenpolgenerator ausgebildet sein. Die von dem Generatorsteller 20, 30 abgegebene Ausgangsspannung ist mit UG bezeichnet .FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a vehicle electrical system 40 with two coupled subnetworks BBN and TBN. The subnet BBN is also referred to as the base board network. BBN is a conventional electrical system that operates at the usual voltage of UB = 14V. The simplified basic on-board network BBN comprises a starter S, a first battery Bl and electrical consumers R v . The subsystem TBN operated at the higher voltage UT> UB comprises a second battery B2 and at least one electrical consumer RT. This electrical load RT can also be representative of a larger number of electrical consumers that are supplied via the subnet TBN. Depending on the operation and the characteristics of the electrical load RT, the battery B2 can optionally be omitted or replaced by another storage for electrical energy, such as in particular a double-layer capacitor. For the supply of the two subnets TBN and BBN a generator with generator plate is provided. The generator plate 20 shown in FIG. 2 or the generator plate 30 shown in FIG. 3 can advantageously be used as the generator plate. The generator G of the generator actuator 20, 30 may be advantageously designed as a claw pole generator. The output voltage output by the generator plate 20, 30 is designated by UG.
Das Teilnetz TBN ist über eine in Flussrichtung gepolte Diode D8 mit dem Ausgang des Generatorstellers 20, 30 verbunden. Die Kopplung des Teilnetzes BBN mit dem Generatorsteller 20, 30 erfolgt über einen Schalter Sl . Dieser Schalter Sl kann beispielsweise als Halbleiterschalter oder als Relais ausgeführt sein .Subnetwork TBN is connected to the output of generator generator 20, 30 via a diode D8 polarized in the direction of flow. The coupling of the subnet BBN with the generator plate 20, 30 via a switch Sl. This switch Sl can be designed, for example, as a semiconductor switch or as a relay be .
Im Folgenden wird die Betriebsweise des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Betriebsweise wird beispielhaft für eine Ausführungsform nach Figur 2 mit demThe operation of the embodiment shown in FIG. 4 will now be described. The mode of operation is exemplary of an embodiment of Figure 2 with the
Generatorsteller 20 dargestellt. Für die Ausführungsform mit dem Generatorsteller 30 gilt entsprechendes. Erfordert die gewählte Betriebsstrategie, dass Energie in das Teilnetz BBN eingespeist werden soll, so wird die Ausgangsspannung UG des Generatorstellers 20 auf die Betriebspannung UB diesesGenerator plate 20 shown. For the embodiment with the generator plate 30 applies accordingly. If the selected operating strategy requires that energy be fed into the subnetwork BBN, then the output voltage UG of the generator controller 20 becomes the operating voltage UB of this
Teilnetzes geregelt. Es gilt also UG = UB. Der Schalter Sl ist in diesem Fall geschlossen. In diesem ersten Betriebsmodus BMl sind als Schaltmittel vorgesehene MOSFET-Transistoren Tl, T2, T3 derart gesteuert, dass sie gesperrt sind. Der Generatorstrom wird in diesem Betriebsfall durch eine passive B6-Brücke gleichgerichtet. Die B6-Brücke besteht aus den Dioden Dl, D2, D3 und den zeichnerisch nicht dargestellten Rückwärtsdioden Tl.1, T2.1, T3.1 der als Schaltmittel vorzugsweise eingesetzten MOSFET-Transistoren Tl, T2, T3. In einer Ausführungsvariante können für die Gleichrichtung zusätzliche Dioden vorgesehen sein, die parallel zu den MOSFET-Transistoren Tl, T2, T3 geschaltet sind. Die Regelung der Ausgangsspannung UG des Generatorstellers 20 erfolgt vorteilhaft mit Hilfe des Erregerstroms des Generators G.Subnet regulated. So UG = UB. The switch Sl is closed in this case. In this first operating mode BML MOSFET transistors Tl, T2, T3 provided as switching means are controlled such that they are blocked. The generator current is rectified in this case by a passive B6 bridge. The B6 bridge consists of the diodes D1, D2, D3 and the drawbacks Tl.1, T2.1, T3.1, which are not shown in the drawing, of the MOSFET transistors T1, T2, T3 which are preferably used as switching means. In one embodiment, additional diodes may be provided for the rectification, which are connected in parallel with the MOSFET transistors Tl, T2, T3. The regulation of the output voltage UG of the generator actuator 20 is advantageously carried out with the aid of the exciter current of the generator G.
Soll in einem zweiten Betriebsmodus BM2 elektrische Energie in das Teilnetz TBN eingespeist werden, so wird der Schalter Sl geöffnet. Weiterhin wird die Ausgangsspannung des Generatorstellers 20 auf eine Spannung UG = (UT+UD) mit UD>0 geregelt. Bei niedriger Drehzahl des Generators G werden dazu die MOSFET-Transistoren Tl, T2, T3 des Generatorstellers 20 derart gesteuert, dass elektrische Energie in das Teilnetz TBN eingespeist wird. Die Steuerung der Transistoren Tl, T2, T3 kann dabei vorteilhaft durch ein pulsweitenmoduliertes Signal erfolgen. In diesem Betriebsmodus wird der Generatorsteller 20 in Hochsetzfunktion betrieben. Ist die Drehzahl des Generators G so hoch, dass die Ausgangsspannung UG des Generators G auch bei passiver B6-Brückenschaltung die Spannung UT+UD mit UD>0 erreicht, dann wird die Hochstellerfunktion desIf, in a second operating mode BM2, electrical energy is to be fed into the subsystem TBN, the switch S1 is opened. Furthermore, the output voltage of generator generator 20 is regulated to a voltage UG = (UT + UD) with UD> 0. At low speed of the generator G to the MOSFET transistors Tl, T2, T3 of the generator actuator 20 are controlled so that electrical energy is fed into the subnet TBN. The control of the transistors Tl, T2, T3 can thereby advantageously by a pulse width modulated signal respectively. In this operating mode, the generator plate 20 is operated in Hochsetzfunktion. If the speed of the generator G is so high that the output voltage UG of the generator G reaches the voltage UT + UD with UD> 0 even with a passive B6 bridge circuit, then the boosting function of the
Generatorstellers 20 abgeschaltet. Die MOSFET-Transistoren Tl, T2, T3 werden in diesem Betriebsmodus derart gesteuert, dass sie sperren. Der Wert der Drehzahl, bei dem die Umschaltung zwischen dem Hochsetzstellerbetrieb und der B6-Gleichrichtung erfolgt, kann entsprechend der gewählten Betriebsstrategie durchGeneratorstellers 20 off. The MOSFET transistors Tl, T2, T3 are controlled in this operating mode so that they lock. The value of the speed at which the switching between the boost converter operation and the B6 rectification takes place can be carried out in accordance with the selected operating strategy
Variation des Erregerstroms des Generators G verändert werden. Bei abgeschalteter Hochsetzfunktion wird die Ausgangsspannung nur durch den Erregerstrom des Generators G auf den Sollwert geregelt. Der prinzipielle Verlauf der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Generators G bei Einspeisung in ein Teilnetz mit U = UT > UB ist für einen festen Erregerstrom in Figur 5 dargestellt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Erhöhung der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrads bei Einspeisung von Energie in ein Teilnetz möglich ist. Beispielhaft ist die mögliche Erhöhung der verfügbaren Ausgangsleistung in Figur 6 dargestellt, die die Ausgangsleistung als Funktion der Drehzahl des Generators für einige ausgewählte Drehzahlwerte zeigt. Der jeweils linke Balken repräsentiert dabei die Ausgangsleistung eines auf eine Ausgangsspannung von 14 V ausgelegten Generators beim Betrieb mit einer passiven B6-Brücke. Der jeweils rechte Balken repräsentiert die Ausgangsleistung desselben Generators bei Einspeisung in ein Teilnetz mit einer Betriebsspannung von 42 V. Bei einer Drehzahl des Generators G von beispielsweise 6000 U/min ist die Ausgangsleistung um ein Vielfaches höher. Figur 7 zeigt weiter ein Diagramm mit Darstellung des Wirkungsgrads als Funktion der Drehzahl des Generators G. Der linke Balken in dem Diagramm repräsentiert jeweils den Wirkungsgrad des Generators G bei Einspeisung in das Teilnetz BBN mit der Betriebsspannung UB=14V. Der jeweils rechte Balken repräsentiert den Wirkungsgrad bei Einspeisung in das Teilnetz TBN mit der höheren Spannung UT. Während der Wirkungsgrad bei einer Drehzahl von n=1800/min der Wirkungsgrad bei Einspeisung in beide Teilnetze BBN, TBN in etwa gleich ist, zeigt das Diagramm einen erheblichen Anstieg des Wirkungsgrads mit zunehmender Drehzahl bei Einspeisung in das Teilnetz TBN.Variation of the excitation current of the generator G can be changed. When the boost function is switched off, the output voltage is only regulated by the exciter current of the generator G to the setpoint. The basic course of the output power as a function of the rotational speed of the generator G when fed into a subnetwork with U = UT> UB is shown for a fixed exciter current in FIG. An essential advantage of the invention is that it is possible to increase the output power and the efficiency when feeding energy into a subnetwork. By way of example, the possible increase in available output power is shown in Figure 6, which shows the output power as a function of the speed of the generator for some selected speed values. The left-hand bar represents the output power of a generator designed for an output voltage of 14 V when operating with a passive B6 bridge. The rightmost bar represents the output power of the same generator when fed into a subnetwork with an operating voltage of 42 V. At a speed of the generator G, for example, 6000 rev / min, the output power is many times higher. FIG. 7 further shows a diagram showing the efficiency as a function of the rotational speed of the generator G. The left-hand bar in the diagram in each case represents the efficiency of the generator G when it is fed into the subnetwork BBN with the operating voltage UB = 14V. The right-hand bar represents the efficiency when fed into the sub-network TBN with the higher voltage UT. While the efficiency at a speed of n = 1800 / min, the efficiency when fed into both subnetworks BBN, TBN is about the same, the diagram shows a significant increase in efficiency with increasing speed when fed into the subnet TBN.
Das in Figur 8 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines aus zwei gekoppelten Teilnetzen BBN und TBN bestehenden Bordnetzes unterscheidet sich von dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle der Diode Dl ein Schalter S2 vorgesehen ist.The illustrated in Figure 8 second embodiment of a vehicle network consisting of two coupled subnets BBN and TBN differs from the embodiment shown in Figure 4 in that instead of the diode Dl, a switch S2 is provided.
Figur 9 zeigt eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung derFigure 9 shows an advantageous further embodiment of the
Erfindung, die neben der Versorgung eines Basisbordnetzes BBN, die Versorgung mehrer Teilnetze TBNl, TBN2 mit von der Spannung des Basisbordnetzes BBN abweichenden Spannungen ermöglicht. Die Struktur des Basisbordnetzes BBN entspricht wiederum derjenigen, die schon im Zusammenhang mit den in Figur 4 und Figur 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist. Auch das Teilnetz TBNl entspricht im Wesentlichen dem schon in Figur 4 und Figur 8 dargestellten Teilnetz TBN. Wie Figur 9 zeigt, ist in dieser Weiterbildung der Erfindung zusätzlich ein zweites Teilnetz TBN2 vorgesehen. Dieses vereinfacht dargestellteInvention, in addition to the supply of a base on-board network BBN, the supply of multiple subnets TBNl, TBN2 allows with deviating from the voltage of the base board network BBN voltages. The structure of the base on-board network BBN again corresponds to that which has already been described in connection with the exemplary embodiments described in FIG. 4 and FIG. The subnetwork TBN1 also essentially corresponds to the subnetwork TBN already shown in FIG. 4 and FIG. As FIG. 9 shows, a second subnetwork TBN2 is additionally provided in this development of the invention. This simplified illustrated
Teilnetz TBN2 umfasst, neben einem weiteren Schalter S3, eine Batterie B3 und einen elektrischen Verbraucher RT2. Die Spannungen UTl, UT2 der Teilnetze TBNl, TBN2 können, abhängig von den Anforderungen der elektrischen Verbraucher, RTl, RT2, unterschiedlich oder von gleicher Höhe sein. Dabei gilt aber, dass die Spannungen UTl, UT2 der Teilnetze TBNl, TBN2 größer sind als die Spannung UB des Basisbordnetzes BBN. Die Steuerung der jeweiligen Betriebsmodi für die Versorgung der Teilnetze BBN, TBNl, TBN2 erfolgt mittels der genannten Schalter Sl, S2, S3 .Subnetwork TBN2 comprises, in addition to a further switch S3, a battery B3 and an electrical consumer RT2. The voltages UT1, UT2 of the subnetworks TBN1, TBN2 may be different or the same height, depending on the requirements of the electrical consumers, RT1, RT2. However, it applies here that the voltages UT1, UT2 of the subnetworks TBN1, TBN2 are greater than the voltage UB of the base on-board network BBN. The control of the respective operating modes for the supply of the subnetworks BBN, TBN1, TBN2 takes place by means of the mentioned switches S1, S2, S3.
Die in Figur 10 dargestellte vierte Ausführungsform der Erfindung eignet sich besonders für die Rückgewinnung elektrischer Energie durch Rekuperation bei dem Abbremsen des Fahrzeugs. Anstelle einer Batterie B2 kann in dem Teilnetz TBN vorteilhaft ein kapazitiver Energiespeicher, insbesondere ein Doppelschichtkondensator DCAP eingesetzt werden. Während eines Bremsvorgangs wandelt der Generatorsteller 20, 30 die durch den Bremsvorgang entstehende kinetische Energie in elektrischeThe illustrated in Figure 10 fourth embodiment of the invention is particularly suitable for the recovery of electrical energy by recuperation in the deceleration of the vehicle. Instead of a battery B2 can advantageously be used in the subnet TBN a capacitive energy storage, in particular a double-layer capacitor DCAP. During a braking operation, the generator plate 20, 30 converts the kinetic energy produced by the braking process into electrical
Energie um und speist diese in das Teilnetz TBN ein, das mit einer höheren Spannung UT betrieben wird. Wie schon unter Bezug auf Figur 6 und Figur 7 erläutert, erfolgt in diesem Fall die Rückspeisung von elektrischer Energie mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad. Daher ist mit dieser Erfindung eine sehr wirkungsvolle Rekuperation von Bremsenergie möglich. Der Doppelschichtkondensator DCAP speichert die gewonnene Energie und kann damit Verbraucher RT versorgen, die eine höhere Betriebsspannung UT benötigen.Energy around and feeds them into the subnet TBN, which is operated with a higher voltage UT. As already explained with reference to FIG. 6 and FIG. 7, the return of electrical energy with high power and high efficiency takes place in this case. Therefore, a very effective recuperation of braking energy is possible with this invention. The double-layer capacitor DCAP stores the recovered energy and can thus supply consumers RT, which require a higher operating voltage UT.
Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf Figur 11 dargestellt. Im Unterschied zu der in Figur G dargestellten Ausführungsform ist hier zusätzlich ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler DCl) vorgesehen, der zwischen beide Teilnetze BBN und TBN geschaltet ist. Der Gleichspannungswandler DCl setzt die höhere Spannung UT des Teilnetzes TBN in die niedrigere Spannung UB des Teilnetzes BBN um und speist dieses mit elektrischer Energie, die aus dem Doppelschichtkondensator DCAPl entnommen wird. Da die aus dem Doppelschichtkondensator DCAPl entnommene Energie über einen längeren Zeitraum hinweg in das Teilnetz BBN eingespeist werden kann, ist es möglich, einen DC/DC-Wandler DCl mit vergleichsweise kleiner Leistung einzusetzen, der kostengünstig herstellbar ist. Im Rahmen der Erfindung sind weitere Ausführungsvarianten denkbar, die beispielsweise mehr als zwei Teilnetze mit von der Spannung des Basisbordnetzes BBN abweichenden Spannungen umfassen. Die Komponenten bzw. Bauelemente für die Steuerung diverser Teilnetze können getrennt von dem Generatorsteller 20, 30 bzw. getrennt von dem Generator G angeordnet sein. In einer besonders vorteilhaften und raumsparenden Ausführungsvariante können diese Komponenten jedoch auch in enger räumlicher Nachbarschaft zu dem Generatorsteller 20, 30 bzw. dem Generator G, insbesondere baulich mit diesen integriert, angeordnet sein.An advantageous further embodiment of the invention is illustrated below with reference to FIG. In contrast to the embodiment shown in FIG. G, a DC-DC converter (DC / DC converter DC1) is additionally provided here, which is connected between both subnetworks BBN and TBN. The DC-DC converter DCl converts the higher voltage UT of the sub-network TBN into the lower voltage UB of the sub-network BBN and feeds this with electrical energy which is taken from the double-layer capacitor DCAP1. Since the energy taken from the double-layer capacitor DCAP1 can be fed into the sub-network BBN over a relatively long period of time, it is possible to use a DC / DC converter DC1 with comparatively low power, which can be produced cost-effectively. In the context of the invention, further variants are conceivable which comprise, for example, more than two subnetworks with voltages deviating from the voltage of the base on-board network BBN. The components or components for the control of various subnetworks may be arranged separately from the generator controller 20, 30 or separately from the generator G. In a particularly advantageous and space-saving embodiment, however, these components can also be arranged in close spatial proximity to the generator plate 20, 30 or the generator G, in particular structurally integrated with these.
Neben der Verschaltung der Strangwicklungen des Generators G in Dreieckschaltung kann auch eine Verschaltung der Strangwicklungen in Sternschaltung vorgesehen sein.In addition to the interconnection of the phase windings of the generator G in delta connection, an interconnection of the phase windings can be provided in star connection.
Der Generator G kann vorteilhaft als Klauenpolgenerator ausgebildet sein. Wahlweise können jedoch auch Generatoren in anderer Bauweise, beispielsweise Synchronmaschinen, eingesetzt werden. Möglich ist auch ein Einsatz von Generatoren mit mehr als drei Strangwicklungen. The generator G can be advantageously designed as a claw pole generator. Alternatively, however, generators can be used in other construction, such as synchronous machines. It is also possible to use generators with more than three strand windings.
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