-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit einem Antrieb und einem mechanisch mit dem Antrieb verbundenen
Generator und ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungsanordnung.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Schaltungsanordnung
mit einem mit der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelten integrierten
Startergenerator, dem ein bidirektionaler AC/DC-Wandler folgt, ist in 4 dargestellt. Mit den beiden Ausgängen der
Gleichspannungsseite des AC/DC-Wandler ist ein Zwischenkreiskondensator
elektrisch verbunden. Der negative Anschluss des Zwischenkreiskondensators
und der mit ihm verbundene, negative Gleichspannungsanschluss des
AC/DC-Wandlers sind mit dem Bezugspotential der Schaltung verbunden.
-
Der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators
und der mit ihm verbundene positive Gleichspannungsanschluss des
AC/DC-Wandlers führen
zu zwei parallel angeordneten Schaltern.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 43 07 907 A1 ist
ein Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug
bekannt. Dieses Verfahren beschreibt, wie die Spannung am Generator
in Abhängigkeit
vom jeweiligen Betriebszustand angepasst wird. Damit der Generator
zum Aufladen einer Batterie durch die Rekuperation von Bremsenergie mehr
Leistung abgeben kann, wird bei der Rekuperation die Generatorspannung
erhöht.
Um die Leistungsaufnahme durch den Generator weiter zu erhöhen, kann
zusätzlich
ein Verbraucher zugeschaltet werden. Dieser Verbraucher kann seinerseits
mit der in elektrische Energie umgewandelten kinetischen Energie
durch eine weitere Energieumwandlung wieder einen Energiespeicher
aufladen.
-
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.
-
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.
-
Eine Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug
ist aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 201 13 916 U1 bekannt. Die vom Generator
ableitbare elektrische Generatorspannung wird hierbei über einen
ersten Anschluss zum Ableiten einer ersten Spannung einem veränderbaren
ohmschen Widerstand zugeführt.
Dem veränderbaren ohmschen
Widerstand ist ein zweiter Anschluss zum Ableiten einer zweiten
Spannung, und zwar der Bordnetzspannung, sowie ein Generatorregler
nachgeschaltet. Zusätzlich
kann die Generatorspannung einem Hochstromenergiespeicher vorzugsweise über eine
Diode zugeführt
werden. Dieser Hochstromenergiespeicher kann vorzugsweise als Kondensator, insbesondere
als Supercap-Kondensator ausgeführt sein.
-
Die im Hochstromenergiespeicher gespeicherte
elektrische Energie kann wieder einem Komfort- und/oder Hochstromwandler
zur Verfügung
gestellt werden.
-
Der veränderbare ohmsche Widerstand dient
hier nur zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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).
-
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.
-
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.
-
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.
-
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).
-
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.
-
Die Verbraucher des Versorgungsbordnetzes
werden so – auch
in Situationen in denen ein erhöhter
Spannungsbedarf besteht – spannungsstabil mit
der am Generator gewonnenen elektrischen Energie versorgt.
-
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.
-
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.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
-
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.
-
Das Rekuperationsnetz kann zusätzlich über einen
Energiespeicher gegenüber
Masse stabilisiert werden und/oder Verbraucher versorgen, die unsensibel
gegenüber
den im Rekuperationsnetz auftretenden Spannungsschwankungen sind.
-
Anstelle eines Generators kann auch
ein integrierter, drehfest mit dem Antriebsstrang verbundener oder
ein riemengetriebener Startergenerator Anwendung finden.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Der Generator oder Startergenerator
kann beispielsweise eine Drehstromasynchronmaschine sein.
-
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.
-
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.
-
Mehrere Ausführungsbeispiele werden im Folgenden
anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit einem ersten elektrischen Bauteil,
-
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Bauteil,
-
3 eine
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem ersten elektrischen Bauteil, und
-
4 eine
bekannte Schaltungsanordnung eines Zwei-Spannungs-Kraftfahrzeugbordnetzes.
-
1 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit einer Brennkraftmaschine BKM als Antrieb und einem mechanisch
mit der Brennkraftmaschine BKM verbundenen Generator G. Statt oder
zusätzlich
zu einer Brennkraftmaschine sind auch andere Antriebe, beispielsweise
eine angetriebene Achse, möglich.
-
Der Generator ist wechselspannungsseitig mit
einem ersten Spannungswandler 1 verbunden. Dieser Wandler 1 ist
hier als bidirektionaler Wechselspannungswandler (AC/DC-Wandler)
ausgeführt. Diesem
ist auf der Gleichspannungsseite ein Zwischenkreiskondensator C
parallelgeschaltet. Über dem
Zwischenkreiskondensator C fällt
eine Spannung U1 ab.
-
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.
-
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das erste elektrische Bauteil im Folgenden als Energiespeicher 4,
beispielsweise als ein Doppelschichtkondensator und der Generator
als ein Startergenerator G betrachtet.
-
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.
-
Ein zweiter Wandler 3, der
als bidirektionaler Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist,
ist zwischen dem Rekuperationsnetz und dem Versorgungsbordnetz VBN
angeordnet. Die rekuperationsnetzseitige Anschlussseite des zweiten Wandlers 3 ist
zum einen mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers 4 und
zum anderen mit Masse elektrisch verbunden. Die versorgungsbordnetzseitige
Anschlussseite ist zum einen mit dem positiven Anschluss des Versorgungsbordnetzes
VBN und zum anderen ebenfalls mit Masse elektrisch verbunden.
-
Die mittels dieser Schaltung durchgeführten Betriebsabläufe, insbesondere
die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler 1 und 2 (Aufwärts- oder Abwärtswandlung),
die Aufladung des Zwischenkreiskondensators C auf einen bestimmten
Spannungswert und die Schaltstellungen der Schalteinheit SE1 werden
von einer nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt.
Hierzu sind die Schalter S1 und S2 der Schalteinheit SE1 und er Schalter
S5 mit der Regelschaltung verbunden.
-
Über
den zweiten Wandler 3 kann Energie zwischen den beiden
Netzen transferiert werden und so die Versorgungsbordnetzspannung
geregelt werden oder ein entladener Energiespeicher 4 aus
dem Energiespeicher B2 nachgeladen werden.
-
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.
-
Anschließend wird der Zwischenkreiskondensator
C durch den AC/DC-Wandler 1 auf die über dem Energiespeicher 4 abfallende
Spannung aufgeladen. Ebenfalls nahezu leistungsfrei wird nun der Schalter
S2 geschlossen. Das Versorgungsbordnetz VBN ist nun über den
Energeespeicher 4 und die Schalteinheit SE mit dem Generator
G verbunden.
-
Ein zusätzlicher Schalter S5 ermöglicht eine Anpassung
der Spannung des Zwischenkreiskondensators C an die Spannung des
Versorgungsbordnetzes VBN mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 3.
Hierzu wird bei abgeschalteten Wandlern 1 und 3 zunächst der
Schalter S5 geöffnet.
Anschließend
kann der DC/DC-Wandler 3 den Zwischenkreiskondensator C aufladen
oder entladen. Der Schalter S2 kann nun nahezu leistungsfrei geöffnet werden.
-
Falls nötig kann Energie über den DC/DC-Wandler 3 in
das Versorgungsbordnetz VBN übertragen
werden.
-
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.
-
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 3, vorgegeben.
-
Handelt es sich bei dem Energeispeicher 4 – wie hier
angenommen – um
einen Leitungsenergiespeicher, beispielsweise einen Doppelschichtkondensator,
so sollte dieser zu Beginn des Rekuperationsvorgangs einen möglichst
niedrigen Ladungszustand aufweisen. Nach einer maximal zu erwartenden
Rekuperationszeit sollte der Energiespeicher 4 dann aber
voll geladen sein.
-
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-Wandler 3 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-Wandlers 3 angepasst.
Die maximale Startdauer wird durch die Entladedauer des Energiespeichers 4 bestimmt.
- – Leerlaufladung
(Ladung des Energiespeichers 4 hat Priorität):
Der
Schalter S2 ist geschlossen und der Schalter S1 offen. Der DC/DC-Wandler 3 wird
als abgeschaltet betrachtet. Der Generator G liefert genau den vom
Versorgungsbordnetz VBN benötigten Strom,
der zusätzlich
auch den Energiespeicher 4 lädt. Die Generatorleistung wird
durch die Spannung des Akkumulators bestimmt (Temperaturkompensation).
Bei Erreichen der Maximalspannung des Energiespeicher 4 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-Wandlers 3 angepasst.
Nach Entladung des Energiespeichers 4 wird der Fahrzustand
Anfahren und somit auch die Unterstützung des Antriebs beendet.
- – Generatorbetrieb
bei entladenem Energiespeicher 4
Dieser Zustand wird
nur erreicht, wenn der Energiespeicher 4 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-Wandler 3 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 Energiespeicher 4 nie komplett zu entladen.
- – Generatorbetrieb
mit geladenem Energiespeicher 4
Schalter S2 ist offen
und Schalter S1 ist geschlossen. Aus dem Energiespeicher 4 liefert
der DC/DC-Wandler 3 zusammen mit dem Generator den vom
Versorgungsbordnetz VBN benötigten Strom.
Die Leistung des DC/DC-Wandlers 3 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 Energiespeicher 4 auch über einen
weiteren Verbraucher zum Versorgungsbordnetz VBN hin oder zu Masse
entladen werden. Nach (kompletter) Entladung des Energiespeichers 4 wird
in den Generatorbetrieb bei entladenem Energiespeicher umgeschaltet.
Die Entladung des Energiespeicher 4 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-Wandler 3 zu
Beginn der Rekuperation mit maximaler Leistung und entzieht diese
dem Versorgungsbordnetz VBN. Auf diese Weise wird dem Energiespeicher 4 Energie
zugeführt.
Die Spannung des Akkumulators B2 bestimmt die Generatorleistung
(Temperaturkompensation). Mit zunehmendem Ladezustand des Energiespeicher 4 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-Wandler 3 ausgeglichen werden.
Bei Erreichen der Maximalspannung des Energiespeichers 4 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-Wandler 3 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-Wandler 3 transferiert seine
maximale Leistung aus dem Akkumulator B2 auf das Plus-Spannungsniveau des
Energiespeicher 4. Der Generator G arbeitet nicht. Bei
Erreichen der minimalen Startspannung über dem Energiespeicher 4 wir
die interne Starthilfe beendet.
-
2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Funktionell
identische Elemente, wie bei der in 1 dargestellten
Schaltungsanordnung, tragen dieselben Bezugszeichen.
-
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 4 elektrisch verbunden. Der andere Anschluss
des Energiespeichers 4 ist mit dem positiven Anschluss
des Versorgungsbordnetzes VBN elektrisch verbunden.
-
Ebenfalls über die erste Schalteinheit
SE1 ist der positive Anschluss des Zwischenkreiskondensators C mit
einem ersten Anschluss eines zweiten elektrischen Bauteils, hier
einem Hochleistungsverbraucher 4' und über diesen mit einer zweiten
Schalteinheit SE2 verbunden. Diese zweite Schalteinheit SE2, die
zwei Schalter S3' und
S4' aufweist, verbindet
den Hochleistungsverbraucher 4' wahlweise elektrisch mit Masse
oder dem Versorgungsbordnetz VBN.
-
Der positive Anschluss des Energiespeicher 4 ist
auch hier mit einem bidirektionalen Gleichspannungswandler 3 elektrisch
verbunden, dessen gegenüberliegender
positiver Anschluss wie im ersten Ausführungsbeispiel (s. 1) mit dem positiven Anschluss
des Versorgungsbordnetzes VBN verbunden ist. Die beiden negativen
Anschlüsse
des Gleichspannungswandlers 3 sind mit Masse verbunden.
-
Alternativ kann der Gleichspannungswandler 3 auch
mit dem Hochleistungsverbraucher 4' elektrisch verbunden sein.
-
Der Generator G liefert hier eine
Spannung in einem Bereich von 30V bis 58V. Die Leistungsabgabe des
Generators G hängt
vom Energiebedarf des Hochleistungsverbrauchers 4' und dem der
Verbraucher v des Versorgungsbordnetzes VBN ab. Diser Energiebedarf
liegt hier zwischen 0 und 8000 W. Im Rekuperationsbetrieb soll möglichst
die Maximalleistung von 8000W für
einige Sekunden vom Generator G abgegeben werden können.
-
Der Hochleistungsverbraucher 4' soll entsprechend
der 42V-Norm zwischen
30V und 48V spezifiziert sein. Die Leistungsaufnahme des Hochleistungsverbraucher 4' (z.B. eines
Klimakompressors) liegt je nach Leistungsbedarf zwischen 800W und
3000W und kann stufenlos geregelt werden.
-
Über
den Schalter S2 der Schalteinheit SE1 kann der Hochleistungsverbraucher 4' auch komplett abgeschaltet
werden.
-
Der Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes
VBN schwankt in diesem Ausführungsbeispiel je
nach Lastprofil zwischen 200W und 1200W. Der Gleichspannungswandler 3 hier
beispielsweise mit einer Maximalleistung von 1200W versorgt das
Versorgungsbordnetz VBN auf einem Spannungsniveau von 12V.
-
Der Energiespeicher 4 nimmt
die Rekuperationsleistung auf, um sie anschließend wieder dem Hochleistungsverbraucher 4' und den Verbrauchern v
des Versorgungsbordnetzes VBN zuzuführen.
-
Je größer der Spannungsbereich ist,
in dem der Energiespeichers 4 arbeitet, desto größer ist
der Anteil seines Energieinhalts, der genutzt werden kann.
-
Folglich wird, um den Energiespeichers 4 und/oder
den Generator G kleiner dimensionieren zu können, der Minuspol des Hochleistungsverbrauchers 4' über die
Schalter S4' entweder
mit Masse oder über
den Schalter S3' mit
dem positiven Anschluss des Versorgungsbordnetzes VBN verbunden.
-
Bei einer niedrigen Ausgangsspannung
U1 des Generators G (bedingt durch die Spannung über dem Energiespeicher 4)
oder bei einem geringem Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes
VBN wird der Hochleistungsverbrauchers 4' zwischen Generator G und Masse
betrieben (Schalter S3' offen und
Schalter S4' geschlossen)
und bei hoher Spannung und einem hohen Leistungsbedarf des Versorgungsbordnetzes
VBN fließt
der Strom durch den Hochleistungsverbrauchers 4' in das Versorgungsbordnetz
VBN (Schalter S3' geschlossen
und Schalter S4' offen).
-
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 4' und dem Versorgungsbordnetz
VBN können
vom Gleichspannungswandler 3 in gewissen Grenzen ausgeglichen werden.
Größere Stromunterschiede
können
nur durch ein elektrisches Verbinden des Hochleistungsverbrauchers 4' mit Masse gelöst werden.
-
Auch bei der in 2 dargestellten Schaltung werden die
durchgeführten
Betriebsabläufe,
insbesondere die Bestimmung der Arbeitsrichtung der Wandler 1 und 3 (Aufwärts- oder
Abwärtswandlung), die
Aufladung des Zwischenkreiskondensators C auf einen bestimmten Spannungswert
und die Schaltstellungen der vier Schalter S1, S2, S3' und S4' wieder von einer
nicht dargestellten Steuer-/Regel-Schaltung gesteuert/geregelt.
Hierzu sind die Schalter S1 und S2 der ersten Schalteinheit SE1
und die Schalter S3' und
S4' der zweiten
Schalteinheit mit der Regelschaltung verbunden.
-
In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dargestellt. Hierbei wurde die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung
um einen Schalter S6 zwischen dem negativen Anschluss des elektrischen Bauteils,
beispielsweise einem Energiespeicher 4, und den Verbrauchern
v des Versorgungsbordnetzes VBN ergänzt.
-
Funktionell identische Elemente,
wie bei den in den 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen,
tragen dieselben Bezugszeichen.
-
Ein weiteren Unterschied zu der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung
stellt die Anordnung des Akkumulators B2 dar, der hier zwischen dem
negativen Anschluss des Energiespeichers 4 und Masse angeordnet
ist.
-
Durch diese Modifikation der Schaltungsanordnung
aus 1 kann durch Öffnen des
Schalters S6 die Spannung am Akkumulator B2 erhöht werden. Dies kann sich im
Rekuperationsbetrieb als vorteilhaft erweisen, besonders wenn die
Spannung U1 klein ist und die Verbraucher v eine geringe Leistungsaufnahme
aufweisen.
-
Darüber hinaus können die
Innenwiderstände
der Schalter S1 bis S6 zur Strommessung verwendet werden.
-
Die durchgeführten Betriebsabläufe der
im dritten Ausführungsbeispiel
dargestellten Schaltungsanordnung werden wie bei den anderen Ausführungsbeispielen
von einer nicht dargestellten Steuer-/Regelschaltung gesteuert/geregelt.
-
4 zeigt
eine Schaltungsanordnung eines bekannten Kraftfahrzeugbordnetzes.
-
Funktionell identische Elemente,
wie bei den in den 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen,
tragen dieselben Bezugszeichen.
-
Die Steuerung der Betriebsabläufe der
in den 1-3 dargestellten Schaltungsanordnungen
erfolgt einerseits aufgrund von benutzergesteuerten Größen, wie
beispielsweise Fahrpedalstellung, vorgewählter Fahrgeschwindigkeit,
gewählte
Getriebe-Gangstufe, Brems- und/oder Kupplungsbetätigung und andererseits aufgrund
von Betriebsgrößen wie
beispielsweise Drehzahl, Drehmoment und/oder Fahrgeschwindigkeit.
-
Alternativ können die Schaltelemente der Schalteinheiten
SE1 und SE2 auch durch externe, beispielsweise vom Fahrer ausgelöste, Signale
gesteuert werden.
-
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.