DE102008054706A1 - Power supply network for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungsnetzwerk für ein Fahrzeug mit einer mittels einer Starterantriebsquelle, insbesondere einem Elektromotor, antreibbaren Antriebsquelle mit einem Starterenergieversorgungsnetzwerk (101) zum Zuführen elektrischer Energie zu der Starterantriebsquelle, einem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk (105) zum Zuführen elektrischer Energie zu zumindest einem Fahrzeugverbraucher, wobei in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk (105) ein elektrischer Speicher (119) zur Aufnahme überschüssiger elektrischer Energie von dem Starterenergieversorgungsnetzwerk (101) vorgesehen ist.The invention relates to a power supply network for a vehicle having a drive source which can be driven by means of a starter drive source, in particular an electric motor, with a starter energy supply network (101) for supplying electrical energy to the starter drive source, a vehicle energy supply network (105) for supplying electrical energy to at least one vehicle consumer the vehicle energy supply network (105) is an electrical memory (119) for receiving excess electrical energy from the starter power supply network (101) is provided.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Versorgung elektrischer Energie in Fahrzeugen.The The present invention relates to the field of electrical supply Energy in vehicles.
In modernen Fahrzeugantrieben wird oft ein Elektromotor als Starter zum Anlassen eines Verbrennungsmotors erwendet. Hierzu ist insbesondere eine ausreichende Dimensionierung elektrischer Bauteile notwendig, weil beim Anlassen eines Verbrennungsmotors hohe Leistungen und hohe Ströme benötigt werden. So können die erforderlichen Spitzenströme für den Starter je nach Größe des Fahrzeugmotors mehrere 100 Ampere bis zu 1000 Ampere oder sogar mehr betragen. Diese hohen Ströme werden bei konventionellen Bordnetztopologien aus einer Bordnetz- bzw. Starterbatterie gespeist und üblicherweise nur durch Leitungswiderstandsverhältnisse und Komponenteninnenwiderstände im Bordnetz, wie beispielsweise einem Innenwiderstand der Starterbatterie oder des Starters, begrenzt, was ein hohes, impulsförmiges Anlaufmoment des Starters zur Folge haben kann. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Beanspruchung, welche die Lebensdauer des Starters verringert. Darüber hinaus tragen die Spitzenströme zu starken Spannungseinbrüchen im konventionellen Bordnetzwerk sowie zu einer Beeinträchtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bei.In Modern vehicle drives often become an electric motor as a starter used for starting an internal combustion engine. This is in particular a adequate dimensioning of electrical components necessary because When starting an internal combustion engine high power and high Currents are needed. So can the required peak currents for the starter ever according to size of the vehicle engine several 100 amperes up to 1000 amperes or even more. These high currents will be in conventional on-board network topologies from a wiring system or Starter battery powered and usually only by line resistance conditions and component internal resistance in the electrical system, such as an internal resistance of the starter battery or the starter, limited, what a high, impulsive starting torque of the starter can result. This leads to an increased mechanical stress, which extends the life of the starter reduced. In addition, carry the peak currents excessive voltage drops in the conventional on-board network as well as to an impairment of the electromagnetic Compatibility (EMC) at.
Zur
gezielten Begrenzung der Spitzenströme kann beispielsweise
ein elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
in einem Hauptstrompfad eines elektromagnetisch erregbaren Läufers
des Elektromotors angeordnet bzw. eine Stromtaktung, wie sie in
der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die von einem Starterenergieversorgungsnetzwerk, welches zum Versorgen eines Starters mit elektrischer Energie eingesetzt wird, nicht benötigte, überschüssige elektrische Energie, welche insbesondere bei einer getakteten Strombegrenzung entsteht, in ein Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk, das zum Versorgen von anderen Fahrzeugverbrauchern, wie beispielsweise einer Klimatisierungsanlage, mit elektrischer Energie vorgesehen ist, eingespeist werden kann. Dadurch wird eine insgesamt effizientere Ausnutzung zur Verfügung stehender, elektrischer Energie erreicht. Hierzu können das Starterenergieversorgungsnetzwerk und das Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk, welche separate Netzwerke sind, gekoppelt werden, wobei zwecks Austausches elektrischer Energie in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise ein Kondensator, vorgesehen ist, um die von dem Starterversorgungsenergienetzwerk stammende, überschüssige elektrische Energie zu speichern.The Invention is based on the recognition that those of a starter power supply network, which is used to supply a starter with electrical energy will, unnecessary, surplus electrical energy, which in particular at a pulsed current limit is emerging into a vehicle power supply network that will supply from other vehicle consumers, such as an air conditioning system, is provided with electrical energy, can be fed. This will provide an overall more efficient utilization standing, reached electrical energy. You can do this the starter power supply network and the vehicle energy supply network, which are separate networks, being exchanged for exchange electrical energy in the vehicle power supply network electrical energy storage, such as a capacitor provided is the surplus coming from the starter supply energy network to store electrical energy.
Der Energiespeicher des Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks kann beispielsweise eine Kapazität aufweisen, welche im Bereich des Millifarad bis Farad angesiedelt ist. Derartige Kapazitäten lassen sich bevorzugt mit Cap-Elementen realisieren. Es ist jedoch möglich, in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk eine kleinere Kapazität vorzusehen, sofern das Starterenergieversorgungsnetzwerk ebenfalls mit einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer weiteren Kapazität, ausgestattet wird. Bei einer Kopplung beider Netze sind die jeweiligen Kapazitäten daher parallel zueinander angeordnet, wodurch die Gesamtkapazität erhöht wird. Zur Netzkopplung kann beispielsweise eine Diode vorgesehen werden, wodurch ein unidirektionaler Energieaustausch zwischen der Kapazität des Starterenergieversorgungsnetzwerks und der Kapazität des Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks ermöglicht wird. Durch den elektrischen Energiespeicher in dem Starterenergieversorgungsnetz, d. h. in dem Anlasserzweig, und in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetz, d. h. in dem Bordnetzzweig, welche mittels einer Diode gekoppelt sein können, wird eine Gleichrichtung der Ströme bzw. der Spannungen erzielt, welche zu einer weitgehenden Vermeidung von Strom- bzw. Spannungsspitzen und elektromagnetischer Störungen führt.Of the Energy storage of the vehicle power supply network, for example have a capacity ranging from millifarad to Farad is settled. Such capacities can be preferably realized with cap elements. It is possible, however, in the vehicle power supply network, a smaller capacity provided that the starter energy supply network also with an electrical energy storage, such as another Capacity is equipped. In a coupling of both Networks are the respective capacities therefore parallel to each other arranged, thereby increasing the total capacity becomes. For network coupling, for example, a diode provided which causes unidirectional energy exchange between the Capacity of the starter power supply network and the Capacity of the vehicle power supply network is made possible. By the electrical energy storage in the starter energy supply network, d. H. in the starter branch, and in the vehicle energy supply network, d. H. in the vehicle electrical system branch, which is coupled by means of a diode will be a rectification of the currents or the tensions which leads to a substantial avoidance of power surges and electromagnetic interference leads.
Der in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk angeordnete Energiespeicher dient gleichzeitig als Pufferspeicher, so dass eine Übertragung von Spannungsspitzen ins Bordnetzwerk sowie die damit einhergehende Störung bzw. Zerstörung elektrischer Komponenten vermieden werden kann. Darüber hinaus können in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk, das ein Bordnetz umfassen kann, elektrische Bauelemente mit geringeren Durchbruchspannungen im Strompfad eingesetzt werden, wodurch die Komponentenkosten reduziert werden. Wird das Starterenergieversorgungsnetzwerk mittels einer Starterbatterie mit Energie versorgt, so kann diese daher nah an der Leistungselektronik angeordnet werden, wodurch eine Verringerung von Leitungsinduktivitäten erreicht wird. Durch die Pufferung der überschüssigen elektrischen Energie kann ferner eine Verbesserung der EMV-Eigenschaften der Schaltungsanordnung zur Taktung der Starterströme erreicht werden. Aufgrund der wesentlichen Reduktion der Spannungsspitzen bei der Taktung des Starterstroms können auch in dem Starterenergieversorgungsnetzwerk elektrische Bauteile mit geringerer Durchbruchspannung eingesetzt werden. Ferner kann die Starterbatterie räumlich von einem die Stromtaktung herbeiführenden Taktschalter entfernt angeordnet werden, wodurch eine flexible Partitionierung von Leistungselektronik und Starterbatterie möglich ist, so dass diese in einem Kofferraum und die Leistungselektronik beispielsweise in einem Fahrgastraum verbaut sein können, ohne andere Fahrzeugkomponenten elektromagnetisch negativ zu beeinflussen.The arranged in the vehicle energy supply network energy storage also serves as a buffer memory, so that a transmission of voltage spikes in the on-board network and the associated disruption or destruction of electrical components can be avoided. Moreover, in the vehicle power supply network, which may include a vehicle electrical system, electrical components with lower breakdown voltages may be employed in the current path, thereby reducing the component cost. If the starter energy supply network is supplied with energy by means of a starter battery, it can therefore be arranged close to the power electronics be net, whereby a reduction of line inductances is achieved. By buffering the excess electrical energy, it is further possible to achieve an improvement in the EMC properties of the circuit arrangement for clocking the starter currents. Due to the substantial reduction of the voltage peaks in the timing of the starter current, electrical components with a lower breakdown voltage can also be used in the starter energy supply network. Furthermore, the starter battery can be arranged spatially away from the current timing inducing clock switch, whereby a flexible partitioning of power electronics and starter battery is possible so that they can be installed in a trunk and the power electronics, for example in a passenger compartment, without affecting other vehicle components electromagnetically negative ,
Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die in dem magnetischen Feld der Zuleitungen des Starterenergieversorgungsnetzwerks gespeicherte elektrische Energie zumindest teilweise in das Fahrzeugenergieversorgungsnetz, d. h. in das Bordnetz, eingespeist werden, wodurch das Bordnetz bei der Stromtaktung, bei der die Starterbatterie dem Bordnetz üblicherweise nicht zur Verfügung steht, mit zusätzlicher elektrischer Energie versorgt wird. Wird zusätzlich in dem Starter energieversorgungsnetzwerk eine Kapazität vorgesehen, so kann während des Startvorgangs die den Starter üblicherweise mit elektrischer Energie versorgende Starterbatterie durch die anlasserseitig angeordnete Kapazität unterstützt werden. Auf diese Weise kann dem Starter mehr elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden.About that In addition, according to the invention in the magnetic Field of supply lines of the starter power supply network stored electrical energy at least partially into the vehicle energy supply network, d. H. in the electrical system, fed, causing the electrical system in the power cycle, in which the starter battery usually the electrical system not available, with additional electrical Energy is supplied. In addition, in the starter power network one Capacity provided, so can during the boot process usually the starter with electrical energy supplying starter battery through the starter side arranged Capacity to be supported. In this way The starter can provide more electrical power be put.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Energieversorgungsnetzwerk für ein Fahrzeug mit einer mittels einer Starterantriebsquelle, beispielsweise einem Elektromotor, antreibbaren Antriebsquelle, beispielsweise einem Verbrennungsmotor. Das Energieversorgungsnetzwerk umfasst ein Starterenergieversorgungsnetzwerk zum Zuführen elektrischer Energie zu der Starterantriebsquelle und ein Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk zum Zuführen elektrischer Energie zu zumindest einem Fahrzeugverbraucher. In dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk ist bevorzugt ein elektrischer Energiespeicher angeordnet, welcher vorgesehen ist, von dem Starterenergieversorgungsnetzwerk stammende, überschüssige elektrische Energie aufzunehmen und in das Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk, das mit dem Starterenergieversorgungsnetzwerk gekoppelt ist, einzuspeisen.According to one Aspect, the invention relates to a power supply network for a vehicle with a means of a starter drive source, for example an electric motor, drivable drive source, for example an internal combustion engine. The power supply network includes a starter power supply network for supplying electrical power Power to the starter drive source and a vehicle power supply network for supplying electrical energy to at least one vehicle consumer. In the vehicle power supply network is preferably an electrical Energy storage arranged, which is provided by the starter power supply network to absorb excess electrical energy and into the vehicle power supply network connected to the starter power supply network is coupled to feed.
Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Starterenergieversorgungsnetzwerk ein Energiespeicher, beispielsweise ein Kondensator, zum Aufnehmen der überschüssigen elektrischen Energie und zum Zuführen derselben zu dem Energiespeicher des Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks vorgesehen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Verwendung von insgesamt kleineren Kapazitäten ermöglicht.According to one Embodiment is in the starter power supply network an energy storage, such as a capacitor, for recording of excess electrical energy and to Supplying the same to the energy storage of the vehicle power supply network intended. This advantageously makes the use of overall smaller capacity allows.
Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Starterenergieversorgungsnetzwerk eine Starterbatterie insbesondere parallel zu dem weiteren Energiespeicher angeordnet, wodurch in vorteilhafter Weise neben einer Bereitstellung elektrischer Energie für die Starterantriebsquelle auch eine effiziente Speicherung überschüssiger elektrischer Energie ermöglicht wird.According to one Embodiment is in the starter power supply network a starter battery in particular parallel to the further energy storage arranged, thereby advantageously in addition to a provision electrical power for the starter drive source too efficient storage of excess electrical Energy is enabled.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Starterenergieversorgungsnetzwerk mit dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk über ein unidirektionales elektrisches Verbindungselement, insbesondere über eine Diode, verbunden. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Rückwirkung des Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks auf das Starterenergieversorgungsnetzwerk verhindert.According to one Embodiment is the starter power supply network with the vehicle power supply network via a unidirectional electric Connecting element, in particular connected via a diode. As a result, a reaction of the Vehicle power supply network to the starter power supply network prevented.
Gemäß einer Ausführungsform ist parallel zu dem Energiespeicher des Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks ein weiterer Energiespeicher, insbesondere eine Stützbatterie, vorgesehen, welcher bei Bedarf in vorteilhafter Weise zusätzliche Energie zum Versorgen von anderen elektrischen Fahrzeugverbrauchern abgeben kann.According to one Embodiment is parallel to the energy storage of Vehicle energy supply network another energy storage, in particular, a backup battery provided, which, if necessary advantageously additional energy for supplying from other electric vehicle consumers.
Gemäß einer Ausführungsform ist dieser weitere Energiespeicher mittels eines Schalters zuschaltbar oder abschaltbar, so dass dieser in vorteilhafter Weise nur bei Bedarf zugeschaltet wird.According to one Embodiment, this further energy storage means a switch switchable or disconnectable, so this in advantageously switched on only when needed.
Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Starterenergieversorgungsnetzwerk ein taktbares Schaltungselement, insbesondere ein taktbarer Schalter, zur Begrenzung einer Amplitude eines der Starterantriebsquelle zuzuführenden elektrischen Stroms vorgesehen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine getaktete Strombegrenzung realisiert werden.According to one Embodiment is in the starter power supply network a tactile circuit element, in particular a tactile switch, for limiting an amplitude of one of the starter drive source to be supplied provided electric current. This can be done in an advantageous manner a clocked current limit can be realized.
Gemäß einer Ausführungsform ist parallel zu dem taktbaren Schaltelement ein weiteres Schaltelement, insbesondere ein weiterer Schalter, angeordnet, welcher in vorteilhafter Weise einen größeren elektrischen Strom als das taktbare Schaltelement leiten und bei Bedarf zugeschaltet werden kann.According to one Embodiment is parallel to the tactile switching element another switching element, in particular a further switch, arranged, which advantageously a larger electrical Conducting electricity as the tactile switching element and switched on when needed can be.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Starterenergieversorgungsnetzwerk ausgangsseitig mittels einer in Sperrrichtung gepolter Diode mit einem Masseanschluss verbunden, wodurch vorteilhaft ein Überspannungsschutz realisiert wird.According to one Embodiment is the starter power supply network on the output side by means of a reversely polarized diode with connected to a ground terminal, which advantageously provides overvoltage protection is realized.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk ausgangsseitig mit einem Generator zum Erzeugen elektrischer Energie verbunden. Der Generator kann beispielsweise ein Generator eines Bordnetzes und zum Versorgen elektrischer Energieverbraucher wie beispielsweise einer Klimatisierungsanlage, vorgesehen sein. Ein Energierückfluss von dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk zu dem Starterenergieversorgungsnetzwerk bei einem Startvorgang kann mittels einer im Sperrbetrieb betreibbaren Diode zwischen dem Starterenergieversorgungsnetzwerk und dem Fahrzeugenergieversor gungsnetzwerk unterbunden werden. Der Generator kann ferner ein Bestandteil des Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks sein.According to one embodiment, the driving is zeugenergieversorgungsnetzwerk output side connected to a generator for generating electrical energy. The generator can be provided, for example, a generator of a vehicle electrical system and for supplying electrical energy consumers such as an air conditioning system. An energy return from the vehicle power supply network to the starter power supply network at a startup operation can be prevented by means of a diode operable in reverse operation between the starter power supply network and the vehicle power supply network. The generator may also be part of the vehicle power supply network.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Energieversorgungsverfahren für ein Fahrzeug mit einer mittels einer Starterantriebsquelle, beispielsweise eines Elektromotors, antreibbaren Antriebsquelle. Das Energieversorgungsverfahren umfasst das Zuführen elektrischer Energie zu der Starterantriebsquelle mittels eines Starterenergieversorgungsnetzwerks, das Zuführen elektrischer Energie zu zumindest einem Fahrzeugverbraucher mittels eines Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerks, das Übertragen überschüssiger elektrischer Energie von dem Starterenergieversorgungsnetzwerk zu dem Fahrzeugenergieversorgungsnetz, das Speichern der überschüssigen elektrischen Energie insbesondere in dem Fahrzeugenergieversorgungsnetzwerk und das Einspeisen der gespeicherten überschüssigen elektrischen Energie in das Fahrzeugenergieversorgungsnetz.According to one Aspect, the invention relates to a power supply method for a vehicle with a means of a starter drive source, for example an electric motor, drivable drive source. The energy supply method includes supplying electrical energy to the starter drive source by means of a starter power supply network, the feeding electrical energy to at least one vehicle consumer means of a vehicle power supply network, transferring excess electrical energy from the starter power supply network the vehicle power supply network, saving the excess electrical energy, in particular in the vehicle energy supply network and feeding in the stored surplus electrical energy in the vehicle energy supply network.
Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:Further Embodiments will be made with reference to the accompanying drawings Figures explained in more detail. Show it:
Das
in
Das
der Diode
Im
Betrieb wird die Starterantriebsquelle
Im
Taktbetrieb wird der beim geöffneten Schalter
Mit
den in den
Zum
Anlassen einer Antriebsquelle mittels der Starterantriebsquelle
Eine
in den
Die
in dem Energiespeicher
Weist
der Energiespeicher
Insgesamt können somit abrupte Stromänderungen vermieden werden, so dass ferner vermieden werden kann, dass hohe Überspannungen induziert werden. Denn bei einem plötzlichen Abriss eines elektrischen Stroms mit beispielsweise 600 A können Überspannungen bis zu mehreren 100 V entstehen.All in all thus abrupt changes in current can be avoided so that it can also be avoided that high surges be induced. Because with a sudden demolition of an electric Currents with, for example, 600 A can cause overvoltages up to several 100 V arise.
Sinkt
der elektrische Strom durch den Starter
Sinkt
der Startstrom nach einem Anlaufen bzw. nach einem Andrehen der
Starterantriebsquelle
Bei
einem Kaltstart kann, wie vorstehend erwähnt, die Stromtragfähigkeit
des Schalters
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