DE19838296B4

DE19838296B4 - Elektrisches Spannungsversorgungssystem

Info

Publication number: DE19838296B4
Application number: DE19838296A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Reutlinger; Richard Schoettle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: GB2341019A; FR2782582B1; FR2782582A1; JP2000092739A; GB2341019B; JP3559477B2; US6335575B1; DE19838296A1; GB9919239D0

Abstract

Elektrisches Spannungsversorgungssystem mit einem Phasenwicklungen umfassenden Generator (10), insbesonders mit einem Drehstromgenerator, der mit einer Batterie verbindbar ist und über Gleichrichterelemente und einen Spannungswandler mit Verbrauchern in Verbindung steht, und die Batterie (B) mit einer Seite der Phasenwicklungen des Generators (10) und die Gleichrichterelemente (12) mit der anderen Seite der Phasenwicklungen des Generators (10) in Verbindung stehen und ein als Hochsetzsteller ausgebildete Spannungswandler (13) einen Schalter (S), der parallel zum Gleichrichter (12) liegt und eine Diode (D) sowie einen Kondensator (C) umfaßt, deren Reihenschaltung parallel zum Schalter (S) und zum Gleichrichter (12) liegt und als Drossel die Stranginduktivitäten (X1, X2 und X3) des Generators (10) einbezieht, wobei ein zweiter Schalter (S1) zwischen dem Sternpunkt (SP) und der Batterie (B) geschlossen wird, sofern die im Generator (10) induzierte Polradspannung kleiner ist als die Batteriespannung und wieder geöffnet wird, wenn die im Generator (10) induzierte Polradspannung größer als die Batteriespannung wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Spannungsversorgungssystem, insbesonders in einem Fahrzeugbordnetz nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Zur Erzeugung der im Kraftfahrzeug benötigten elektrischen Energie werden heute üblicherweise Klauenpolgeneratoren eingesetzt. Solche Klauenpolgeneratoren sind Drehstromgeneratoren, deren Ausgangsstrom mit Hilfe einer Diodenbrücke gleichgerichtet wird. Der gleichgerichtete Strom wird dann zur Versorgung der elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs sowie zur Ladung der Batterie verwendet. Die Ausgangsspannung des Klauenpolgenerators wird mit Hilfe eines Spannungsreglers so geregelt, daß sie unabhängig von der Drehzahl des Generators etwa konstant ist. Die Höhe der Spannung, auf die geregelt wird, wird üblicherweise so gewählt, daß sie zur Ladung der Batterie optimal geeignet ist.
In Bordnetzen mit einer Vielzahl von Verbrauchern besteht das Problem, daß die üblicherweise vom Generator abgegebene Spannung von 14 V zur Energieversorgung nicht ausreicht. Da üblicherweise auch Verbraucher im Bordnetz vorhanden sind die eine höhere Spannung als 12 V bzw. 14 V benötigen, ist es bekannt, Generatoren einzusetzen, die auf eine höhere Spannung als 12 V bzw. 14 V geregelt werden. So wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 325 205 A2 vorgeschlagen, den Generator in einem Fahrzeugbordnetz auf 48 V zu regeln und aus dieser höheren Spannung die übliche Bordnetzspannung von 12 bzw. 14 V mit Hilfe von Spannungswandlern abzuleiten. Als Hauptbatterie wird bei diesem bekannten Fahrzeugbordnetz eine Hochvoltbatterie eingesetzt, die mit Hilfe der vom Generator gelieferten Spannung von 48 V geladen wird. Den Verbrauchern mit niedrigerer Versorgungsspannung können Stützkondensatoren zugeordnet sein, die die gewandelte Spannung stabilisieren. Die bekannte Lösung hat den Nachteil, daß als Hauptbatterie anstelle einer herkömmlichen Batterie mit 12 V Nennspannung eine für 48 Volt geeignete Batterie eingesetzt werden muß.
Aus der DE 21 48 242 A ist ein Spannungsversorgungssystem bekannt, bei dem die Wicklungen eines Drehstromgenerators als induktive Elemente für einen Gleichspannungswandler verwendet werden. Dabei ist ein elektrisches Spannungsversorgungssystem mit einem Phasenwicklungen umfassenden Generator vorhanden, der mit einer Batterie verbindbar ist und über Gleichrichterelemente und einen Spannungswandler mit Verbrauchern in Verbindung steht. Die Batterie ist mit einer Seite der Phasewicklungen des Generators verbunden und die Gleichrichterelemente sind mit der anderen Seite der Phasenwicklungen des Generators verbunden.
Aus der DE 42 26 311 A1 ist ein Spannungsversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem am Sternpunkt der Generatorswicklungen eine zweite Spannung abgegriffen wird. Eine Batterie ist dabei fest mit dem Sternpunkt verbunden. Die vom Sternpunkt abgewandten Seiten der Generatorwicklungen sind mit einem Gleichrichter verbunden, der eine Last mit höherer Spannung versorgt. Ein Spannungswandler ist nicht vorhanden.
Aufgabe der Erfindung ist ein elektrisches Spannungsversorgungssystem bereitzustellen, das einen auf ca. 14 Volt geregelten Generator umfasst und für das zugehörige Bordnetz einen höhere Spannung zur Verfügung stellen kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße elektrische Spannungsversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß als Hauptbatterie eine herkömmliche 12 V Batterie eingesetzt werden kann, daß der Generator auf eine Ausgangsspannung von ca. 14 V geregelt werden kann und daß für das Bordnetz eine höhere Spannung zur Verfügung gestellt wird. Es läßt sich so ein Bordnetz mit höherer Spannung aufbauen.
Besonders vorteilhaft ist, daß auch bei Stillstand des Generators Energie aus dem Bordnetz mit höherer Spannung entnehmbar ist. Dazu ist ein Gleichspannungswandler, der die Spannung der Batterie in die höhere Spannung wandelt, vorgesehen. Das induktive Bauelement, das bei einem solchen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) benötigt wird, ist in besonders vorteilhafter Weise der Generator selbst, dessen Stranginduktivitäten als Drossel für den als Hochsetzsteller arbeitenden Gleichspannungswandler dienen.
Da sich an die Batterie in üblicher Weise herkömmliche Bordnetzverbraucher anschließen lassen, kann mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Spannungsversorgungssystem ein Fahrzeugbordnetz aufgebaut werden, das in vorteilhafter Weise aus einem Bordnetz mit herkömmlicher Spannung und einem Bordnetz mit höherer Spannung besteht. Zur Versorgung der herkömmlichen Verbraucher und der Batterie kann vorteilhafterweise ein weiterer Generator eingesetzt werden, der auf eine Ausgangsspannung von ca. 14 V geregelt wird.
Die Verschaltung des Generators ist in vorteilhafter Weise an die Erfordernisse beziehungsweise Gegebenheiten anpaßbar. Vorteilhafterweise wird der Generator in Sternschaltung betrieben, damit die Stranginduktivitäten für den Gleichspannungswandler nutzbar sind. Es ist jedoch auch möglich, den Generator in einer Dreieckschaltung zu betreiben, wobei dann zusätzliche Schaltungsmaßnahmen zu treffen sind. In jedem Fall läßt sich durch die vorteilhafte Anordnung beziehungsweise Verschaltung des Generators mit der Bordnetzbatterie und den Verbrauchern des Bordnetzes mit höherer Spannung sicherstellen, daß die Bordnetzverbraucher auch bei Generatorstillstand mit Spannung versorgt werden. Die Gleichrichterbrücke des Generators kann in vorteilhafter Weise entweder in herkömmlicher Weise aufgebaut sein, wobei sich dann ein Hochsetzsteller anschließen muß, die Gleichrichterbrücke kann aber auch Bauelemente des Hochsetzstellers selbst mitumfassen, wobei dann einzelne Gleichrichterelemente durch Feldeffekttransistoren zu ersetzen sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Klauenpolgenerators beschrieben. Prinzipiell läßt sich das erfindungsgemäße elektrische Energieversorgungssystem mit beliebigen Generatoren, das heißt unabhängig von der Anzahl der Stranginduktivitäten aufbauen, wobei Generatoren denkbar sind, die weniger als drei oder mehr als drei Stranginduktivitäten aufweisen.
Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 3 dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bauelemente weisen üblicherweise die gleiche Bezeichnung auf.
Beschreibung
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Generator 10, der von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine angetrieben wird, liefert die für die Versorgung der 42 V-Verbraucher des Bordnetzes benötigte elektrische Energie. Der Generator 10 ist beispielsweise ein Klauenpolgenerator mit drei Phasenwicklungen, der von einem Spannungsregler R auf die gewünschte Ausgangsspannung geregelt wird, indem der Strom durch die Erregerwicklung E in bekannter Weise geregelt wird. Im einzelnen sind vom Generator 10 lediglich die Stranginduktivitäten X1, X2 und X3 sowie die Widerstände der Phasenwicklungen R1, R2 und R3 dargestellt. Die sich einstellenden Phasenspannungen sind mit UP1, UP2 und UP3 bezeichnet. Die Verschaltung der Phasenwicklungen des Generators 10 ist beim Ausführungsbeispiel nach 1 eine Sternschaltung. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Sternschaltung kann über den Schalter S1 auf das 12 V-Bordnetz 11 geführt werden. Vom 12 V-Bordnetz 11 ist lediglich die Bordnetzbatterie B sowie ein weiterer Schalter S2 und ein 12 V-Verbraucher R4 dargestellt. Das 12 V-Bordnetz umfaßt jedoch alle Verbraucher mit einer Nennspannung von UB1 = 12 V.
An den Generator 10 schließt sich in bekannter Weise eine Gleichrichterbrücke 12 an, die sechs Dioden D1 bis D6 umfaßt. Anstelle der Dioden D1 bis D6 könnten theoretisch auch Zenerdioden eingesetzt werden. Ein als Hochsetzsteller ausgebildeter Gleichspannungswandler 13 steht mit dem Gleichrichter 12 in Verbindung und umfaßt einen Schalter S, eine Diode D sowie einen Kondensator C. Am Kondensator C kann die höhere Bordnetzspannung B2 abgegriffen werden, diese Spannung beträgt beispielsweise 42 V. Die Bordnetzspannung UP2 kann über einen Schalter S3 den Verbrauchern R5 zugeführt werden. Vom 42 V-Bordnetz 14, das üblicherweise ohne Batterie auskommt, sind lediglich der Schalter S3 und der Widerstand R5 dargestellt, obwohl dieses Bordnetz eine Vielzahl von Verbrauchern umfassen kann, insbesonders solche, für die es wünschenswert ist, daß sie mit einer höheren Spannung versorgt werden.
Mit dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines elektrischen Spannungsversorgungssystem läßt sich ein zweiteiliges Bordnetz realisieren, das eine Spannungsebene mit 14 V beziehungsweise 12 V und eine zweite Spannungsebene mit 42 V beziehungsweise 36 V aufweist. In einem solchen Bordnetz können herkömmliche Verbraucher mit 12 V versorgt werden und bestimmte Verbraucher mit 36 V. Da lediglich eine Batterie B verwendet wird, muß sichergestellt werden, daß die Verbraucher des Bordnetzes 14 auch bei Stillstand des Generators mit Energie versorgt werden. Diese elektrische Energie wird von der Batterie B über den Generator 10 geliefert und mit Hilfe des als Hochsetzsteller ausgestalteten Spannungswandlers 13 auf die erforderliche Spannungshöhe gewandelt.
Damit der Gleichspannungswandler 13 (DC/DC-Wandler) kein zusätzliches induktives Bauelement benötigt, werden die Stranginduktivitäten X1, X2 und X3 des Generators 10 als Drossel für den Hochsetzsteller mitverwertet. Der Generator 10 ist dazu in Sternschaltung geschaltet.
Mit der in 1 dargestellten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Spannungsversorgungssystems kann bei Stillstand des Generators und bei niedrigen Drehzahlen, solange der Generator noch keine Leistung abgeben kann, eine Spannungsversorgung im 42 V-Bordnetz gewährleistet werden, indem der Schalter S1 geschlossen wird. Damit liegt der Spannungswandler 13 an der Batterie B und der Spannungswandler am Ausgang des Generators kann mit Hilfe der Generatorinduktivität der Batterie B die erforderliche Leistung entnehmen und dem Bordnetz mit höherem Spannungsniveau 14 zuführen. Der Schalter S des Spannungswandlers 13 wird dazu in bekannter Weise benötigt, die Ansteuerung des Schaltens S wird beispielsweise vom Spannungsregler übernommen. Beginnt der Generator sich zu drehen, erzeugt er eine Spannung. Diese Spannung überlagert sich der Batteriespannung am Sternpunkt SP. Die Verbraucherleistung des 42 V-Bordnetzes 14 wird dann teilweise von der Batterie und teilweise vom Generator geliefert. Kann der Generator aufgrund der gestiegenen Drehzahl die volle Leistung des 42 V-Netzes decken, wird die Verbindung zwischen der Batterie B und dem Sternpunkt SP durch Öffnen des Schalters S1 unterbrochen. Der Schalter S1 kann als mechanischer Schalter oder als elektronisches Ventil aufgebaut sein. Anstelle des Schalters S1 kann eine Diode D7 eingesetzt werden. Steigt die Generatorstrangspannung UP1, UP2, UP3 über die Nennspannung der Batterie, beispielsweise 12 V, so sperrt die Diode. Die Batterie B liefert dann keine Leistung mehr über den Sternpunkt SP des Generators in das 42 V-Bordnetz 14. Beide Netze sind in diesem Fall durch die Diode D7 entkoppelt.
Sinkt die Generatorstrangspannung UP1, UP2, UP3 infolge sinkender Generatordrehzahl wieder unter 12 V, wird über die Diode D7 wieder Energie in das 42 V-Bordnetz geliefert. Die Spannung am Eingang des als Hochsetzsteller ausgestalteten Spannungswandlers 13 sinkt somit nicht unter die Batteriespannung abzüglich der Diodenspannungen ab. Damit ist sichergestellt, daß die Eingangsspannung des Spannungswandlers stets einen Wert aufweist, der ein zuverlässiges Arbeiten des Spannungswandlers gewährleistet.
Der Kondensator C des Spannungswandlers 13 dient üblicherweise der Glättung der im Hochsetzsteller gewandelten Spannung. Anstelle des Kondensators 10 kann auch eine weitere Batterie B1 parallelgeschaltet sein, die jedoch für die Funktionsweise des elektrischen Spannungsversorgungssystem nicht zwingend erforderlich ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das gegenüber dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen besseren Wirkungsgrad aufweist, da der vom Generator gelieferte Strom nicht mehr über drei Leistungshalbleiter sondern nur noch über zwei geführt werden muß. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 weist das Ausführungsbeispiel nach 2 keinen getrennten Aufbau von Gleichrichter und Spannungswandler (Hochsetzsteller) auf, sondern es ist der Gleichrichter und der Hochsetzsteller zusammengefaßt zu einem Gleichrichter plus Hochsetzsteller 15. Dazu werden die unteren drei Dioden D4, D5 und D6 des Ausführungsbeispieles nach 1 ersetzt durch drei Schaltelemente, beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3. Diese drei Schalter werden parallel angesteuert und erzielen dadurch dieselbe Wirkung wie der Schalter S des Hochsetzstellers 13 nach 1. Durch die gemeinsame Ansteuerung wird ein einfaches Steuerverfahren erhalten. Die Diode D des Hochsetzstellers nach 1 kann entfallen, da die oberen drei Dioden des Gleichrichters D1, D2 und D3 deren Funktion mitübernehmen. Die Ansteuerung der Transistoren T1, T2, T3 kann vom Steuerteil des Spannungsreglers, der die Ausgangsspannung des Generators regelt, durchgeführt werden, die Ansteuerung kann aber auch von einem anderen Steuergerät des Fahrzeugs kommen.
Werden die drei Schalter geschlossen, das heißt werden die drei MOS-Feldeffekttransistoren T1, T2, T3 angesteuert, ist der Generator kurzgeschlossen. Die Induktivität des Generators beziehungsweise die einzelnen Induktivitäten X1, X2, X3 werden dann mit magnetischer Energie aufgeladen. Werden die Schalter wieder geöffnet, wird die magnetisch gespeicherte Energie über die oberen Gleichrichterdioden D1, D2 und D3 in das 42 V-Bordnetz 14 eingespeist. Die Generatorinduktivität wirkt also tatsächlich als Drossel des Hochsetzstellers. Die MOS-Feldeffekttransistoren T1, T2, T3 können auch durch andere geeignete Schaltelemente ersetzt werden, die eine Auftrennung oder ein Kurzschließen des Generators ermöglichen.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich vom Ausführungsbeispiel 2 lediglich dadurch unterscheidet, daß der Generator 10 nicht in Sternschaltung sondern in Dreieckschaltung geschaltet ist. Zusätzlich liegt noch eine Diode D8 zwischen dem Schalter S1 und dem Generator 10. Die Ansteuerung der Schalter T1 bis T3 unterscheidet sich von der Ansteuerung im Ausführungsbeispiel nach 2.
Mit dem in 3 dargestellten elektrischen Spannungsversorgungssystem kann im Stillstand des Generators ebenfalls eine Speisung des 42 V-Bordnetzes aus dem 12 V-Bordnetz erfolgen. Hierzu wird die Induktivität des Generators ebenfalls für einen Hochsetzstellerbetrieb verwendet. Solange die Batterie B in den Hochsetzsteller einspeist, also bei geschlossenem Schalter S1 und Drehzahlen des Generators, die noch nicht ausreichen, daß der Generator eine Spannung abgibt, die höher ist als die Batteriespannung, darf der Schalter T3 der Gleichrichterbrücke nicht angesteuert werden. Dieser Schalter beziehungsweise der Feldeffekttransistor T3 liegt an dem Außenleiter, welcher mit der Batterie verbunden ist. Würde der Feldeffekttransistor T3 angesteuert, ergäbe sich ein Kurzschluß auf der 12 V-Seite. Erreicht der Generator eine Drehzahl, die ausreicht, die 42 V-Seite aus dem Generator zu versorgen, muß der Schalter S1 geöffnet werden und die 12 V-Seite vom Generator 15 abgetrennt werden. Der Schalter T3 kann dann ebenfalls angesteuert werden. Der weitere Betrieb entspricht dann dem für das Ausführungsbeispiel nach 1 beschriebenen Verfahren. Die Ansteuerung der Schalter kann wiederum mit Hilfe des Spannungsreglers erfolgen.
Die drei in den 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind beispielsweise in Zwei-Spannungs-Bordnetzen einsetzbar, bei denen das konventionelle Bordnetz 11 mit einer Nennspannung von UB1 = 12 V einen eigenen Generator 16 umfaßt, der über einen Schalter S4 die Batterie B laden kann. Die Verbraucher R5 des 42 V-Bordnetzes ohne Batterie sind in einer konkreten Anwendung Elektro-Magnetische-Ventilsteuerungen, die einen erheblichen Leistungsbedarf aufweisen. Im üblichen Betrieb dient dabei der herkömmliche 14 V-Generator 16 zum Laden der Batterie und zur Versorgung des Bordnetzes 11, der 42 V- Generator 10 dient zur Versorgung der Elektro-Magnetischen-Ventilsteuerung. Ein solcher Generator mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller kann bei auch kleinen Drehzahlen die erforderliche Spannung von 42 V erzeugen. Bei höheren Drehzahlen ist dabei der Hochsetzsteller nicht mehr aktiv. Die Leerlaufspannung des Generators ist dann größer als 42 V und der Generator kann direkt in das 42 V-Bordnetz einspeisen. Beim Startvorgang des Verbrennungsmotors besitzt der 42 V-Generator wegen der geringen Drehzahl noch keine Ausgangsspannung. Da die Elektro-Magnetischen-Ventilsteuerungen jedoch bereits beim Startvorgang für die Betätigung der Ventile Energie benötigen, ist es wesentlich, daß das 42 V-Netz bereits im Start Energie abgeben kann, so daß die Ventilansteuerung unmittelbar nach dem Start erfolgen kann.

Claims

Elektrisches Spannungsversorgungssystem mit einem Phasenwicklungen umfassenden Generator (10), insbesonders mit einem Drehstromgenerator, der mit einer Batterie verbindbar ist und über Gleichrichterelemente und einen Spannungswandler mit Verbrauchern in Verbindung steht, und die Batterie (B) mit einer Seite der Phasenwicklungen des Generators (10) und die Gleichrichterelemente (12) mit der anderen Seite der Phasenwicklungen des Generators (10) in Verbindung stehen und ein als Hochsetzsteller ausgebildete Spannungswandler (13) einen Schalter (S), der parallel zum Gleichrichter (12) liegt und eine Diode (D) sowie einen Kondensator (C) umfaßt, deren Reihenschaltung parallel zum Schalter (S) und zum Gleichrichter (12) liegt und als Drossel die Stranginduktivitäten (X1, X2 und X3) des Generators (10) einbezieht, wobei ein zweiter Schalter (S1) zwischen dem Sternpunkt (SP) und der Batterie (B) geschlossen wird, sofern die im Generator (10) induzierte Polradspannung kleiner ist als die Batteriespannung und wieder geöffnet wird, wenn die im Generator (10) induzierte Polradspannung größer als die Batteriespannung wird.
Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) Bestandteil eines ersten Bordnetzes (11) ist und daß die Verbraucher, die mit dem Spannungswandler verbindbar sind, Bestandteil eines zweiten Bordnetzes (14) sind, das eine gegenüber der Nennspannung der Batterie (B) deutlich höhere Spannung aufweist.
Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (11) eine Nennspannung von 12 V beziehungsweise eine Ladespannung von 14 V und das Bordnetz (14) eine Spannung von 42 V aufweist.
Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (14) keine eigene Batterie umfaßt.
Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (14) einen eigenen Generator (16) umfaßt, der die Batterie (B) und die Verbraucher (R4) versorgt.
Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (12) drei ansteuerbare Schaltelemente, insbesonders MOS-Feldeffekttransistoren (T1 bis T3) umfaßt, die parallel angesteuert werden und die Funktion des Schalters (S) des Hochsetzstellers übernehmen.
Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (10) in Dreieckschaltung geschaltet ist und der Transistor (T3) bei geschlossenem zweiten Schalter (S1) nicht angesteuert wird.