30.08.2006

ROBERT BOSCH GMBH; 70442 Stuttgart

Beschreibung

Kfz-Generator mit Sternpunkt-Abgriff für ein Mehrspannungsbordnetz

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Versorgung elektrischer Verbraucher in einem elektrischen Netz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche Kfz-Bordnetze umfassen üblicherweise einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator, wie z.B. einen Klauenpolgenerator, der die im Netz benötigte elektrische Leistung bereitstellt. Der Generator erzeugt eine Wechselspannung, die in der Regel mittels einer Gleichrichter- Brückenschaltung gleichgerichtet wird. Die Generator-Ausgangsspannung wird mit Hilfe eines Generatorreglers auf einen vorgegebenen Wert, z.B. 14V oder 42V, geregelt.

Fig. 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Generator 1 mit einer Gleichrichter-Brückenschaltung 3. Der dargestellte Generator 1 ist hier 3-phasig ausgebildet und umfasst drei Stränge 2, die in Dreieckschaltung verschaltet sind. Zwischen jeweils zwei Eckpunkten der Dreieckschaltung entstehen bei Betrieb Spannungen Ui2,U23 bzw. U31, die jeweils um eine Phase von 120° gegeneinander verschoben sind. Die drei Phasenspannungen werden mittels der

Gleichrichterschaltung 3, die mehrere Dioden 4 aufweist, in eine Gleichspannung U _B6 transformiert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Kfz-Mehrspannungs-Bordnetzes mit elektrischen Verbrauchern 9,12 und Energiespeichern 10, die von einem Generator 1 mit elektrischer Leistung versorgt werden. Das Bordnetz umfasst eine Vielzahl solcher Verbraucher, die hier exemplarisch durch die Elemente 9,10,12 dargestellt sind.

Das Bordnetz umfasst generatorseitig ein erstes Teilnetz mit einer variablen Netzspannung von 14V bis 42V und ein zweites Teilnetz mit einer festen

Nennspannung von etwa 14V. Ein Längsregler oder DC-DC Wandler 8 regelt die Netzspannung des zweiten Teilnetzes auf einen vorgegebenen Wert (hier 14V).

Ein wesentlicher Nachteil dieses Bordnetzes besteht darin, dass der Längsregler bei hohen Generatorspannungen (gegen 42V) eine sehr hohe Verlustleistung hat, da eine relativ hohe Eingangsspannung (42V) auf eine relativ niedrige Ausgangsspannung (14V) geregelt werden muss. Die Verlustleistung des Längsreglers 8 kann bei einem Stromfluss von etwa 100A eine Größenordnung von mehreren kW Leistung annehmen. Der Längsregler muss außerdem an diese Leistungsklasse angepasst und entsprechend dimensioniert werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bordnetz-Konfiguration zu schaffen, bei der die Verlustleistung wesentlich geringer ist und der Spannungsregler für geringere Leistungen dimensioniert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, den Generator in Sternschaltung zu verschalten und die gleichgerichtete Generatorspannung als eine erste Versorgungsspannung zu nutzen, und zusätzlich den Sternpunkt der Sternschaltung als zweiten Anschluss aus dem Generator herauszuführen und diese Sternpunkt-Spannung als eine zweite Versorgungsspannung zu nutzen. Mit den beiden Spannungen können z.B. verschiedene Netze mit unterschiedlicher Nennspannung versorgt werden.

Sofern das am Generator angeschlossene Netz einen Spannungswandler, wie z.B. einen Längsregler umfasst, ist dieser vorzugsweise sowohl an der Gleichrichter-Ausgangsspannung als auch an der Sternpunkt-Spannung angeschlossen. Der Spannungswandler hat somit zwei unterschiedliche

Eingangspotentiale, zwischen denen er auswählen kann. Der Spannungswandler wählt das Eingangspotential dabei so aus, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Eingangspotential und der sekundärseitigen Netzspannung (z.B. 14V) möglichst gering ist. Die Leistungsverluste im Spannungswandler können dadurch sehr klein gehalten werden. Darüber hinaus steigt der Wirkungsgrad der

Spannungsversorgung. Der Spannungswandler kann im übrigen für eine wesentlich geringere Leistungsklasse dimensioniert werden.

Der Spannungswandler umfasst vorzugsweise eine Schalteinrichtung, die den Eingang des Wandlers zwischen den beiden Versorgungspotentialen umschaltet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Spannungswandler ein Längsregler. In diesem Fall können nur Versorgungsspannungen mit einem höheren Potential als die geregelte Netzspannung (z.B. 12V) als Eingangspotential gewählt werden. Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist entsprechend derart ausgelegt, dass die Sternpunktspannung ausgewählt wird, wenn sie größer ist als die sekundärseitige Netzspannung und andernfalls die Gleichrichterspannung ausgewählt wird.

Der Spannungswandler umfasst vorzugsweise eine Einrichtung zum Messen der Gleichrichterspannung oder der Sternpunktspannung.

Der Generator ist vorzugsweise ein 3-phasiger Generator, wie z.B. ein Klauenpolgenerator, kann aber auch ein mehrphasiger (>3 Phasen) Generator sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten 3-phasigen Generators;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Generators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes mit einem Generator gemäß Fig. 3.

Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Generators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Generator 1 umfasst drei Stränge 2, die in Sternschaltung verschaltet sind. Die in den Strängen 2 induzierten Spannungen sind hier mit U12, U23 und U31 bezeichnet. Diese Wechselspannungen werden mittels einer Gleichrichterbrücke 3, bestehend aus sechs Dioden 4 gleichgerichtet. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 3 ist mit Ueβ bezeichnet und bildet ein erstes Versorgungspotential für das elektrische Netz. Daneben ist der Sternpunkt 5 des Generators 1 als separater Anschluss aus dem Generator 1 herausgeführt. Die Sternpunktspannung ist mit U _M3 bezeichnet. Diese Spannung bildet ein zweites Versorgungspotential für elektrische Verbraucher. Der Generator 1 erzeugt hier eine variable Ausgangsspannung zwischen 14V und 42V am Gleichrichterausgang. Für die Sternpunktspannung UM3 gilt: UM3~0,5 UB6-

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bordnetzes mit einem Generator 1 , der entsprechend Fig. 3 aufgebaut ist. Beide Versorgungspotentiale Ueβ, U _M3 werden über entsprechende Versorgungsleitungen 6 und 7 einem Längsregler 8 zugeführt, der die sekundärseitige Netzspannung auf etwa 12V regelt. Der Längsregler 8 umfasst eine Schalteinrichtung 11 , die in Abhängigkeit von der Höhe der Generatorspannung eines der beiden Versorgungspotentiale U _B6 bzw. U _M3 auswählt.

Da der Längsregler 8 ein Eingangspotential benötigt, das höher ist als die geregelte Netzspannung, wählt die Schalteinrichtung 11 die Sternpunktspannung U _M3 als Eingangspotential, wenn die Gleichrichter-Ausgangsspannung U _B6 einen Wert von etwa 27V bzw. die Sternpunktspannung U _M3 einen Wert von 13,5V übersteigt. Bei geringeren Spannungen wird dagegen die Gleichrichter- Ausgangsspannung U _B6 ausgewählt.

Der Längsregler umfasst vorzugsweise einen Spannungsmesser (nicht gezeigt), der die Gleichrichter-Ausgangsspannung U _B6 oder die Sternspannung U _M3 misst, um die geeignete Eingangsspannung auswählen zu können. Die Schalteinrichtung 11 könnte wahlweise auch von einem Steuergerät angesteuert werden.

Die dargestellte Anordnung hat den Vorteil, dass die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und sekundärseitiger Netzspannung immer möglichst gering ist, wodurch die Verlustleistung des Längsreglers 8 wesentlich reduziert werden kann. Der Wirkungsgrad der Generatoranordnung steigt entsprechend. Darüber hinaus kann der Längsregler 8 wesentlich kleiner dimensioniert werden.

30.08.2006

ROBERT BOSCH GMBH; 70442 Stuttgart

Bezugszeichenliste

1 Generator

2 Stränge

3 Gleichrichter-Brückenschaltung

4 Dioden

5 Stern punkt

6 Versorgungsleitung

7 Versorgungsleitung

8 Längsregler

9 elektrischer Verbraucher

10 Energiespeicher

11 Schalteinrichtung

12 Verbraucher mit variabler Spannung

UM3 Sternpunktspannung

UB ₆ Gleichrichter-Ausgangsspannung

UBN Bordnetzspannung