EBERLEIN, Edwin (Paulusstr. 46 B, Stuttgart, 70197, DE)
| Ansprüche 1. Vorrichtung zur elektrischen Versorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug, wobei ein Antriebsaggregat (2) des mindestens zwei Antriebsaggregate (1 , 2) aufweisenden Fahrzeuges über eine Hochvoltenergiequelle (12) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungswandler (25) elektrisch von der Hochvoltenergiequelle (12) des Hybridfahrzeuges versorgt wird, welcher eine von der Hochvoltenergiequelle (12) erzeugte Hochvolteingangsspannung (HV) in eine Niedervoltausgangsspannung (UBAT∑) umwandelt, welche an die elektrischen Verbraucher (9,1 1 ,13,15, 18, 21 ) führt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Niedervoltausgang des Spannungswandlers (25) mit einer Fahrzeugbatterie (35) über ein elektronisches Relais (24) oder ein elektrisches Ventil verbunden ist, wobei die Fahr- zeugbatterie (35) Bestandteil eines Niedervoltstromkreises ist, der die elektronischen Verbraucher (9,11 ,13,15, 18, 21 ) enthält. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Spannungswandler (25) an seinem Niedervoltausgang erzeugte Niedervoltausgangs- Spannung (UBAT∑) höher ist als die von der Fahrzeugbatterie (35) bereitgestellte Niedervoltspannung. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Bereitstellung der Niedervoltausgangspannung (UBAT∑) durch den Spannungswandler (25) das Relais (24) im Normalbetrieb sperrend geschaltet ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (24) öffnet, wenn die Niedervoltausgangsspannung (UBAT∑) höher ist als die Niedervoltspannung der Fahrzeugbatterie (35). 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fahrzeugbatterie (35) und dem Relais (24) ein Verpolschutz (23) in Reihe zum Relais (24) geschaltet ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein DC/DC-Wandler (34) vor dem Verpolschutz (23) an eine Batteriezuleitung (BAT+) geführt ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (25) einen Schalter (30) aufweist, welcher mit der Hochvoltenergiequelle (12) verbunden ist und welcher bei Ausbleiben der Hochvoltspannung (HV) von der Hochvoltspannungsquelle (12) oder durch ein Steuersignal geöffnet ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (25) mit einem zweiten Spannungswandler (27) verbunden ist, welcher die Spannung (VGτ+, VGτ-) für eine Leistungselektronik zum Betreiben des Antriebsaggregates (2) des Fahrzeuges bereitstellt. 10. Verfahren zur elektrischen Versorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug, wobei ein Antriebsaggregat (2) des mindestens zwei Antriebsaggregate (1 , 2) aufweisenden Fahrzeuges über eine Hochvoltenergiequelle (12) versorgt wird dadurch gekennzeichnet, dass der Start des elektrischen Systems durch eine Niedervoltversorgung erfolgt und dann selb- ständig auf eine Versorgung aus einem Hochvoltsystem umgeschaltet wird. |
Titel
Vorrichtung zur elektrischen Versorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Versorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug, wobei ein Antriebsaggregat des mindestens zwei Antriebsaggregate aufweisenden Fahrzeuges ü- ber eine Hochvoltenergiequelle versorgt wird.
Fahrzeuge mit einer hybriden Antriebsstruktur weisen meistens einen Verbrennungs- motor als erstes Antriebsaggregat und als zweites Antriebsaggregat einen Elektromotor auf. So kann das Antriebsmoment während des Fahrbetriebes des Hybridfahrzeuges von beiden Antriebsaggregaten aufgebracht werden.
Das Versorgungskonzept eines Steuergerätes für einen Hybridantrieb weist einen Step-up-Wandler, wie er aus der DE 10 2006 055 853 A1 bekannt ist, zur Erzeugung einer Hilfsspannung auf, welche aus der von einer Niedervoltbatterie gelieferten Niedervoltspannung erzeugt wird. Diese gegenüber der Niedervoltspannung erhöhte Hilfsspannung wird von dem Step-up-Wandler an einen Durchflusswandler weitergeleitet, welcher aus der Hilfsspannung eine Hochvoltspannung erzeugt, die an seinem Aus- gang bereitgestellt wird, wo die elektronischen Leistungsschalter zur Ansteuerung für den Elektromotor angeschlossen sind.
Bei fehlender Versorgung durch die Niedervoltbatterie, was beispielsweise durch Ansprechen einer Sicherung während der Fahrt auftreten kann, fällt die gesamte Versor- gung für die im Fahrzeug vorhandenen Steuergeräte aus. Der Ausfall des in dem
Steuergerät implementierten Rechnerkerns hat einen Ausfall der gesamten Ansteue- rung des Elektromotors zur Folge, welcher somit nicht mehr zum Antrieb des Hybridfahrzeuges zur Verfügung steht.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Versorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug weist den Vorteil auf, dass auf eine Energieerzeugung durch eine Niedervoltbatterie während der Fahrt verzichtet werden kann, da die erforderliche Energie für die Verbraucher und Steuergeräte in der von der Niedervoltbatterie gebildeten Nieder- voltseite von dem Spannungswandler bereitgestellt wird, welcher von der Hochvoltenergiequelle versorgt wird. Durch diese Versorgung aus der Hochvoltseite haben auf der Niedervoltseite auftretende Versorgungsprobleme während der Fahrt keinerlei Auswirkungen. Dies gilt für den gesamten Zündungslauf, also vom Einschalten bis zum Nachlaufen nach Abschalten der Klemme 15. Darüber hinaus kann auf die Erzeugung einer Hilfsspannung durch den Step-up-Wandler verzichtet werden, weshalb der Step- up-Wandler entfallen kann.
In einer Weiterbildung ist der Niedervoltausgang des Spannungswandlers mit einer Fahrzeugbatterie über ein elektronisches Relais oder ein elektrisches Ventil verbun- den, wobei die Fahrzeugbatterie Bestandteil eines Niedervoltstromkreises ist, der die elektronischen Verbraucher enthält. Ein Absinken der Batteriespannung bzw. ein Ausfall der Batterieversorgung hat bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Auswirkungen auf die elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise die Steuergeräte des Hybridfahrzeuges und den Elektromotor als Antriebaggregat.
In einer Ausgestaltung ist die von dem Spannungswandler an seinem Niedervoltausgang erzeugte Niedervoltausgangsspannung höher als die von der Batterie bereitgestellte Niedervoltspannung. Mittels der bereitgestellten konstanten Spannung des Spannungswandlers wird der Betrieb auf der Niedervoltseite auf einem solchen Wert gehalten, dass sowohl ein Pulswechselrichter zum Ansteuern des durch die Hochvoltenergiequelle versorgten Antriebsaggregates als auch die komplette Steuerelektronik des Fahrzeuges sicher mit Energie versorgt werden.
Vorteilhafterweise ist bei Bereitstellung der Niedervoltausgangspannung durch den Spannungswandler das Relais im Normalbetrieb sperrend geschaltet, so dass die
Spannungsversorgung des Niedervoltkreises allein durch den Spannungswandler ü- bernommen wird, auch wenn die Niedervoltbatterie sich noch im Einsatz befindet. Die Niedervoltbatterie kann in einem solchen Fall als redundante Versorgung genutzt werde, falls der Spannungswandler ausfallen sollte.
Das Relais öffnet, wenn die Niedervoltausgangsspannung höher ist als die Niedervoltspannung der Batterie. Dies reduziert massiv die leitungsgebunden geführten bzw. abgestrahlten elektromagnetischen Störungen auf der Leitung zwischen Relais und Niedervoltbatterie. Somit wird der Radio- bzw. Handyempfang im Fahrzeug wesentlich verbessert, ohne dass zusätzliche Abschirmmaßnahmen notwendig sind.
In einer Weiterbildung ist zwischen der Batterie und dem Relais ein Verpolschutz in Reihe zum Relais geschaltet. Der Verpolschutz umfasst einen Transistor, welcher gesperrt ist und nur im Fall einer Überspannung zulässt, dass das Relais geöffnet wird. Durch die gewählte Struktur von dem als Diode wirkenden Verpolschutz und des Re- lais kann der Schaltungsaufwand zum Hochlaufen eines die erfindungsgemäße Vorrichtung enthaltenden Steuergerätes einfach realisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein DC/DC-Wandler vor dem Verpolschutz an eine Batteriezuleitung geführt. Der DC-DC-Wandler, welcher in einem Hybridfahrzeug die Aufgaben einer Lichtmaschine übernimmt, ist somit immer im Betrieb, auch wenn die
Niedervoltbatterie ausgefallen ist. Fällt der Spannungswandler aus, sinkt die Niedervoltausgangsspannung des Spannungswandlers. Liegt diese unterhalb der Batteriespannung wird das Relais wieder leitend und der Umrichterbetrieb des Spannungswandlers wird eingestellt. Als Konsequenz daraus erfolgt ein reiner DC-DC-Wandler- Betrieb für die Energieversorgung der im Niedervoltkreis liegenden Verbraucher.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Spannungswandler einen Schalter auf, welcher mit der Hochvoltenergiequelle verbunden ist und welcher bei Ausbleiben der Hochvoltspannung von der Hochvoltspannungsquelle oder durch ein Steuersignal ge- öffnet ist. Damit wird sichergestellt, dass die Ankopplung des Niedervoltkreises nur erfolgt, wenn an dem Spannungswandler die Hochvoltspannung auch tatsächlich anliegt.
Vorteilhafterweise ist der Spannungswandler mit einem zweiten Spannungswandler verbunden, welcher die Spannung für eine Leistungselektronik zum Betreiben des An- triebsaggregates des Hybridfahrzeuges bereitstellt. Die von dem Spannungswandler erzeugte konstante Niedervoltausgangsspannung wird dabei direkt ohne Zwischen- schaltung eines Hilfswandlers an den Durchflusswandler geleitet. Dies ist möglich, da die Niedervoltausgangsspannung höher ist als die von der Niedervoltbatterie bereitgestellte Spannung. Je nachdem wie hoch diese Niedervoltausgangsspannung des Spannungswandlers ist, ist nur ein geändertes Übersetzungsverhältnis der Wicklungen des Transformators des zweiten Spannungswandlers notwendig, um sich durch Wicklungsänderungen der anliegenden Niedervoltausgangspannung des Spannungswandlers anzupassen.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird bei einem Verfahren zur elektri- sehen Versorgung elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug, insbesondere einem
Hybridfahrzeug, ein Antriebsaggregat des mindestens zwei Antriebsaggregate aufweisenden Fahrzeuges über eine Hochvoltenergiequelle versorgt. Um die Energieversorgung des Fahrzeuges während der Fahrt optimal zu gestalten, erfolgt der Start des e- lektrischen Systems durch eine Niedervoltversorgung und wird dann selbständig auf eine Versorgung aus einem Hochvoltsystem umgeschaltet. Auf eine Energieerzeugung durch eine Niedervoltbatterie kann während der Fahrt verzichtet werden, da die erforderliche Energie für die Verbraucher und Steuergeräte in der von der Niedervoltbatterie gebildeten Niedervoltseite von dem Spannungswandler bereitgestellt wird, welcher von der Hochvoltenergiequelle versorgt wird. Durch diese Versorgung aus der Hochvoltsei- te haben auf der Niedervoltseite auftretende Versorgungsprobleme während der Fahrt keinerlei Auswirkungen. Dies gilt für den gesamten Zündungslauf, also vom Einschalten bis zum Nachlaufen nach Abschalten der Klemme 15.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 : Prinzipdarstellung für den Aufbau eines Hybridfahrzeuges
Figur 2: Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Figur 3: Start- und Abschaltverfahren eines Steuergerätes mit der Vorrichtung gemäß Figur 2 Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung für ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb. Der Hybridantrieb wird von einem Verbrennungsmotor 1 als erste Antriebseinheit und ei- nem Elektromotor 2 als zweite Antriebseinheit gebildet.
Der Verbrennungsmotor 1 ist über den Antriebsstrang 3 mit dem Getriebe 4 verbunden, welches wiederum über das Differential 5 auf die Radachse 6 zum Antrieb des Rades 7 führt.
Der Elektromotor 2 ist über einen eigenen Antriebsstrang 8 mit dem Getriebe 4 verbunden und trägt damit zum Antrieb der Räder 7 und zum Gesamtdrehmoment des Fahrzeuges bei. Darüber hinaus verfügt der Elektromotor 2 über ein eigenes Elektromotorsteuergerät 9, welches an einen Hybrid CAN-Bus 10 angeschlossen ist, über welchen alle die Steuergeräte miteinander kommunizieren, die Einfluss auf den hybridspezifischen Fahrbetrieb des Fahrzeuges haben. Dazu gehört unter anderem das Batteriemanagementsystem 11 einer Hochvoltbatterie 12. Die Hochvoltbatterie 12 ist mit einer nicht weiter dargestellten Leistungselektronik des Elektromotors 2 verbunden und versorgt diesen mit elektrischer Energie.
Ein Fahrzeugsteuergerät 13 kommuniziert über den Hybrid CAN Bus 10 mit dem daran angeschlossenen Elektromotorsteuergerät 9 und dem Batteriemanagementsystem 1 1. Darüber hinaus ist es über den CAN Bus 14 u.a. mit einem Klima-Steuergerät 15, einem Navigationssteuergerät 21 und anderen nicht weiter dargestellten Steuergerä- ten des Fahrzeuges verbunden. Alle genannten Steuergeräte werden über einen
Niedrigspannungskreis durch einen DC-DC-Wandler elektrisch versorgt.
Über ein Gateway 16 steht der CAN Bus 14 mit einem Gateway CAN Bus 17 in Verbindung, über welchen die einzelnen Bussysteme des Fahrzeuges miteinander kom- munizieren.
Das Motorsteuergerät 18 des Verbrennungsmotors 1 ist über den Gateway-CAN Bus 17 und den CAN Bus 14 mit dem Fahrzeugsteuergerät 13 verbunden. Das Fahrzeugsteuergerät 13 ist mit einem Fahrpedalgeber 19 und einem Fahrzeuggeschwindigkeitsgeber 20 verbunden, von welchem das Fahrzeugsteuergerät 13 Informationen über die aktuellen Betriebsparameter für den Fahrzeugbetrieb erhält.
Das Elektromotorsteuergerät 9 soll im Weiteren mit Hilfe von Figur 2 näher erläutert werden. Dieses Elektromotorsteuergerät 9 weist eine Eingangsschaltung 22 auf, welche in Reihe geschaltet einen Verpolschutz 23 und ein elektronisches Hauptrelais 24 umfasst. Diese Eingangsschaltung 22 ist innerhalb des Elektromotorsteuergerätes 9 mit einem Sperrwandler 25, einer Hilfsschaltung 26 zur Bereitstellung einer Hilfs- Spannung für eine nicht weiter dargestellte Recheneinheit sowie mit einem Durchflusswandler 27 verbunden.
Der Sperrwandler 25 und der Durchflusswandler 27 bilden eine galvanische Trennung zwischen dem Antrieb des Elektromotors 2 und dem Niederspannungskreis.
Der Sperrwandler 25 liegt mit seinem Primärstromkreis 29 an einer Hochvoltspan- nungsversorgung 28 und enthält einen Transistor 30. Die am Primärstromkreis 29 anliegende Hochvoltgleichspannung HV beträgt 280 V und wird von der Hochvoltbatterie 12 bereitgestellt. Am Ausgang des Sekundärkreises 31 des Sperrwandlers 25 liegt eine Niedervoltausgangsgleichspannung U BAT∑ von beispielsweise 30 V an, auf weiche die Hochvoltgleichspannung HV transformiert wird.
Die Niedervoltausgangsgleichspannung U BATz ist an die Hilfsschaltung 26 geführt, deren Eingang mit einer internen Vorreglerspannung zur Erzeugung unterschiedlicher Versorgungsspannungen VPR und der internen Steuergerätemasse GND verbunden ist.
Weiterhin wird die Niedervoltausgangsgleichspannung U ßATz 3uf den Durchflusswandler 27 geführt, dessen Ausgängen V G τ+; GND G τ und V G τ- des Sekundärkreises 32 die Versorgung der Ansteuerschaltung der nicht weiter dargestellten Leistungstransistoren des Elektromotors 2 bereitstellen. V G τ+ stellt dabei die Plus-Versorgung der Gate- Treiber-Schaltung der Leistungstransistoren und V GT- die Minus-Versorgung der Gate- Treiber-Schaltung auf der Hochspannungsseite dar. Die Masse der Gate-Treiber- Schaltung ist mit GNDQ T gekennzeichnet. Am Eingang der Eingangsschaltung 22, direkt am Verpolschutz 23, liegt die Plusversorgung BAT + der 12 V-Fahrzeugbatterie 35, deren Minusversorgung BAT - an Masse mit der Hilfsschaltung 26 und dem Primärkreis 33 des Durchflussmessers 27 liegt. An der Plusversorgungsleitung BAT + der 12 V Fahrzeugbatterie ist außerdem ein die Aufgaben der Lichtmaschine übernehmender DC-DC-Wandler 34 angeschlossen.
Die Wirkungsweise der Schaltung soll nun im Zusammenhang mit Figur 3 an dem Start- und Abschaltverfahren des Motorsteuergerätes 9 über einen vollständigen Zündungslauf erläutert werden.
Im Block 101 ist zunächst die Klemme 15 des Hybridfahrzeuges ausgeschaltet, was bedeutet, dass das gesamte elektrische System abgeschaltet ist. Im Block 102 erfolgt die Aktivierung des Steuergerätes z.B. durch Klemme 15, so dass das Hauptre- lais 24 einschaltet (Block 103). Im Block 104 wird geprüft, ob eine genügend hohe
Versorgungsspannung für die Recheneinheit des Steuergerätes 9 zur Verfügung steht. Ist dies der Fall wird das Steuersignal der Recheneinheit freigegeben und die Recheneinheit fährt hoch.
Anschließend wird im Block 105 der als Step-down-Wandler arbeitende Sperrwandler
25 freigegeben. Dies erfolgt dadurch, dass die Hochvoltspannung HV durch das Bat- teriemanagementsystemi 1 freigegeben wird. Liegt diese Hochvoltgleichspannung HV an dem Primärkreis 29 des Sperrwandlers 25 an, wird der Transistor 30 geöffnet und die Spannungsumformung erfolgt von HV = 280 V auf U BAT∑ = 30 V an der Sekundär- seite 31 des Sperrwandlers 25. Ein Rückstrom in die Niedervoltbatterie wird durch den als Diode geschalteten Verpolschutz 23 verhindert.
Im Block 106 wird die Spannung U BAT∑ mit der Spannung der Fahrzeugbatterie UB verglichen. Ist diese höher als die Batteriespannung UB, befindet sich das Relais 24 im gesperrten Zustand. Dadurch wird ein Mechanismus zur Behebung von Überspannungen aktiviert.
Am Durchflusswandler 27 liegt die Niedervoltausgangsgleichspannung U BAT∑ sn, wodurch die Gate-Versorgung V G τ+, V G τ- und GND G τ der Leistungstransistoren zum Antrieb des Elektromotors 2 bereitgestellt wird und das Fahrzeug den Fahrbetrieb auf- nimmt (Block 107). Während des Fahrbetriebes kann es zu einer Überspannung an dem Eingang der Eingangsschaltung 22 kommen, an welchem die Plusversorgung BAT+ der 12V Fahrzeugbatterie liegt. In diesem Fall bleibt die Niedervoltausgangsgleichspannung U BATZ des Sperrwandlers 25 auf 30 V. (Block 108). Tritt im Block 109 ein Spannungs- einbruch an dem bezeichneten Eingang der Eingangsschaltung auf, was beispielsweise durch einen Sicherungsbruch auftreten kann, verhindert der Verpolschutz 23 einen Spannungseinbruch. Somit wird während des gesamten Fahrbetriebes durch den Sperrwandler die konstante Niedervoltausgangsgleichspannung U BAT∑ aufrecht erhalten und der Durchflusswandler 27 wird direkt damit versorgt.
Im Block 110 wird die Klemme 15 des Fahrzeuges ausgeschaltet, wodurch es im Block 11 1 zum Nachlauf des Elektromotorsteuergerätes 9 kommt. Anschließend werden im Block 112 die Gate-Versorgungen V G τ+, V G τ- und GND G τ der Leistungstransistoren gesperrt. Der Mechanismus zur Behebung von Überspannungen wird deakti- viert (Block 1 13). Im Block 1 14 wird anschließend der Sperrwandler deaktiviert, indem die Hochspannungsversorgung 28 durch das Batteriemanagementsystem 11 abgeschaltet wird. Die Recheneinheit fährt runter und das Hauptrelais wird geöffnet, da jetzt die Batteriespannung UB höher ist als die Niedervoltsausgangsgleichspannung. Im Block 115 ist das System abgeschaltet.
Fällt der Sperrwandler 25 während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges aus, übernimmt der DC-DC-Wandler 34 die Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 9, 1 1 , 13, 15, 18, 21 im Niedervoltkreis.
Auf Grund der beschriebenen Vorgehensweise ist die Niedervoltbatterie nur zum po- wer-up (Klemme 15 ein) notwendig. Während der Fahrt des Fahrzeuges kann auf diese Niedervoltbatterie verzichtet werden.