Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbordnetz nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Die Erzeugung elektrischer Energie im konventionellen Fahrzeugbordnetz erfolgt gewöhnlich mit Hilfe eines Drehstromgenerators. Die im Generator entstehende Drehspannung wird von einem Diodengleichrichter in die erforderliche Bordnetzgleichspannung umgewandelt. Für den Gleichrichter sind Schaltungen bekannt, in denen Gleichrichter-, Schottky- oder Zenerdioden zum Einsatz kommen. Dabei sind auch Kombinationen verschiedener Diodenausführungen in einem Gleichrichter denkbar. Parallelschaltungen von Dioden zur Erhöhung des Maximalstroms werden ebenfalls bei Bedarf eingesetzt.

Die Amplitude der Gleichrichterausgangsspannung wird von einem Spannungsregler, der mit dem Generatorerregerkreis verbunden ist, auf den für die Spannungsversorgung des Bordnetzes erforderlichen Wert geregelt.

Aus der DE 40 41 220A1 , von der die Erfindung ausgeht, ist ein Fahrzeugbordnetz mit einer gegenüber der Batteriespannung höheren Mittelvolt-Spannung und eine Hochvolt-Spannung bekannt. Es ist eine gemeinsame Mittelvolt-Spannungschiene vorgesehen, die von einer spannungsgeregelten Wandleranordnung auf einer stabilisierten Spannung gehalten wird. Nachteilig ist hierbei, daß die Batterie durch einen Generator auf der untersten Spannungsebene geladen wird, was höhere Verluste im Generator bedingt im Vergleich zu einem Generator, der eine höhere Spannung erzeugt.

Eine noch heute weit verbreitete Ausführung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen beruht auf der Regelung auf die Generatorausgangsspannung. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß alle zwischen Generator und Batterie auftretenden Spannungsabfälle nicht berücksichtigt werden. Die Spannung von nominal 12V liegt an der Batterie und am überwiegenden Teil der elektrischen Verbraucher an.

Bei Einsatz von besonders leistungsstarken elektrischen Verbrauchern ist die niedrige Bordnetzspannung auf Grund der sich ergebenden hohen Stromstärken

problematisch. Beispielsweise müssen die sich daraus ergebenden hohen Verluste bei der Auslegung der Kabelquerschnitte berücksichtigt werden. Kommen außerdem Halbleiterbauelemente in den leistungsstarken Verbrauchern zum Einsatz, so sind diese ebenfalls für die hohen Stromstärken zu dimensionieren, was zu einer Kostenerhöhung führt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, neben der konventionellen Bordnetzspannung U1 von nominal 12 V eine weitere, höhere Gleichspannungsebene U2 konstanter Spannung für leistungsstarke elektrische Verbraucher bereitzustellen.

Dieses Problem wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei Einsatz von leistungselektronischen Schaltungen wie beispielsweise uni- oder bidirektionalen DC/DC-Wandlern sind insbesondere die bei Kraftfahrzeugen geltenden Vorschriften bzgl. der elektromagnetischen Verträglichkeit dieser Schaltungen zu beachten.

Wird neben der konventionellen Spannungsebene U1 von nominal 12V im Kraftfahrzeug eine zweite, höhere Gleichspannungsebene U2 für leistungsstarke Verbraucher eingeführt, und erfolgt die Kopplung der beiden Netze über einen Chopper, so ist dieser elektromagnetisch verträglich auszulegen.

Die Einführung einer zweiten, höheren Spannungsebene U2 wird ausgehend vom

Generator konventioneller Bauart nach der Erfindung durch Einfügen einer leistungselektronischen Schaltung nach dem Prinzip des Mehrfach-Choppers zwischen Generator und Batterie erreicht. Ausführungsbeispiele und

Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 das Schaltungskonzept eines Mehrfach-Choppers,

Fig. 2 ein Beispiel für die Spannungserzeugung und

Fig. 3 die Schaltung des Kraftfahrzeugbordnetzes mit Mehrfach-Chopper.

Die Funktionsweise des eingesetzten Mehrfach-Choppers 4 wird nachfolgend beschrieben. Ein Mehrfach-Chopper besteht aus der Parallelschaltung mehrerer Chopperstufen (Auf-/Abwärtswandler) wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt

ist. Die von Choppem dieser Art bekannten Probleme hinsichtliche der EMV sind der pulsförmige Eingangsstrom und die pulsförmige Ausgangsspannung beim Betrieb ohne Zusatzdrossel.

Verzichtet man auf eine kontinuierliche Variation der Ausgangsspannung U1 und beschränkt sich auf eine bestimmte Anzahl diskret einstellbarer Ausgangsspannungsniveaus, so läßt sich durch den kombinierten Einsatz mehrerer Chopper die EMV der Schaltung durch die Glättung der Ströme le und la und die Vermeidung einer pulsförmigen Ausgangsspannung U1 erheblich verbessern.

Mehrere Chopperstufen (1 , 2, .. k) werden gemäß Fig. 1 parallelgeschaltet, so daß sich der Laststrom in Abhängigkeit vom Steuermuster Ust1 , Ust2, .. Ustk auf die angesteuerten Zweigströme 11 , 12, .. lk aufteilen kann. Hierdurch können die benötigten Bauteile für einen kleineren Strom dimensioniert werden. Die einzelnen Stufen sind durch die eingebauten Drosseln L1 , L2, .. Lk sowie durch die getrenn¬ ten Freilaufkreise über die Freilaufdioden D1 , D2, .. Dk voneinander entkoppelt und beeinflussen sich gegenseitig nicht.

Die Anzahl der in Betrieb befindlichen, aktiven Stufen kann je nach gewünschtem Spannungsverhältnis von der Gesamtzahl der Chopperstufen abweichen. Dies bedeutet, daß nicht ständig alle Zweige an der Stromführung beteiligt sein müssen.

Die Steuerung der elektronischen Schalter S1 , S2, .. Sk erfolgt nun derart, daß die Anzahl der angesteuerten Zweige über eine Taktperiode hinweg konstant bleibt. Diese Bedingung kann jedoch abhängig von der Stufenzahl k nur für bestimmte diskrete Tast- und damit Spannungsverhältnisse (Bruchteile bzw. Vielfache der Eingangsspannung Ue) erfüllt werden. Daraus folgt, daß die Anzahl der parallelgeschalteten Chopperstufen umso größer gewählt werden muß, je feiner die gewünschte Spannungsstufung ist.

Die in Abhängigkeit von der Gesamtstufenzahl (k) erreichbaren Spannungsniveaus sowie die zugehörigen Kombinationen von aktiven und gleichzeitig angesteuerten Zweigen (m,n) sind in Form einer Matrix in der Tabelle dargestellt. Die Elemente der Matrix ( a [n,m] ) geben die möglichen Spannungsverhältnisse für die jeweils gewählte Kombination an.

m n 1 1/2 1/3 1/4 1/k 2 1 2/3 2/4 2/k 3 1 3/4 3/k 4 1 4/k

Tabelle : Kombinationsmatrix

Hierin bedeuten: k: Gesamtzahl der vorhandenen Stufen, m: Anzahl der in Betrieb befindlichen, aktiven Stufen, n: Zahl der gleichzeitig angesteuerten Stufen.

Es gilt: n < m < k

Die Ausgangsspannung läßt sich gemäß der Gleichung

U1 = a [n.mj x U2 berechnen.

Die Verläufe der einzelnen Steuermuster Ust der aktiven Stufen besitzen gleiche Tastverhältnisse und sind gegeneinander phasenverschoben. Die Taktfrequenz der Signale (1/T) bleibt unabhängig von der Zahl der in Betrieb befindlichen Zweige konstant. Fig. 2 zeigt die Ansteuerpulsfolge für eine Anordnung mit vier elektronischen Schaltern und dem eingestellten Spannungsverhältnissen 1/4 und 3/4. Deutlich erkennbar ist die zu jedem Zeitabschnitt gleiche Anzahl der angesteuerten Stufen.

Die Einbindung der beschriebenen leistungselektronischen Schaltung eines Mehrfach-Choppers in das gesamte Fahrzeugbordnetz zur Erzeugung einer zweiten, höheren Spannungsebene U2 erfolgt nun entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Anordnung. In ihr kommen folgende Komponenten zum Einsatz, ein konventioneller Generator-Regler 1 zur Regelung der Batteriespannung auf 12V, ein Generator mit Gleichrichter 2, ein Mehrfach-Chopper 4 und eine Ladekontrolle 7. Der Generator G wird erregt, wenn das Zündschloß 8 eingeschaltet ist.

Der 12V-Generator-Regler (IC) ist mit der Erregerwicklung des Generators verbunden. Er hat die Aufgabe, durch Variation des als Stellgröße im Regelkreis wirkenden Erregerstromes, die Batteriespannung U1 auf den gewünschten Wert von nominal 12V zu regeln. Es kann dabei ein konventioneller IC Spannungsregler für Kfz-Generatoren eingesetzt werden. Die Energieversorgung des Erregerkreises sowie die Messung der zu regelnden Spannung erfolgt nicht wie bisher üblich über Erregerdioden aus dem Generator sondern aus der geschalteten Batteriespannung an Klemme 15. Damit wird direkt, wie gewünscht, die Batteriespannung geregelt. Die vom Generator G an die Last 3 abgegebene Spannung ist natürlich die Spannung U2 der höheren Spannungsebene.

Der Generator G mit Erreger- und dreiphasiger Ständerwicklung erzeugt ein Drehspannungssystem, dessen Amplitude über den Erregerstrom einstellbar ist. Die Gleichrichtung erfolgt mit Hilfe einer oder mehrerer Diodenbrücken. Der bereits näher beschriebene Mehrfach-Chopper wird zwischen Generator und Batterie geschaltet. Gemäß Gleichung 1 erzeugt diese leistungselektronische Schaltung eine Ausgangsspannung U1 U1 = a [n,m] x U2, die von der Anzahl der parallelen und aktiven Zweige und den Steuerimpulsfolgen abhängig ist. Da jedoch die Batteriespannung über den Erregerkreis auf einen Wert von nominal 12V geregelt wird, bedeutet dies gemäß Gleichung 1 , daß sich die Eingangsspannung bzw. die vom Generator erzeugte Spannung nach der Beziehung U2 = U1 / a [n.m] einstellt. Damit ergibt sich ein Fahrzeugbordnetz mit einem zweiten, höheren Spannungssystem U2, dessen Amplitude je nach Ausführung und Ansteuerung des Mehrfach-Choppers einstellbar ist. Die Spannung des batteriegepufferten Systems wird dabei unabhängig von der Amplitude und der Belastung des zweiten höheren Spannungssystems U2 auf den gewünschten Wert von nominal 12V geregelt. Dafür ist der Regler 1 mit dem Regelschaltkreis IC vorgesehen.

An den Ausgang des Mehrfach-Choppers 4, der dabei als Tiefsetzsteller wirkt, können die 12V-Lasten 6 angeschlossen werden. Die Versorgung von eventuell notwendigen Relaiserregerspulen kann sowohl aus Klemme 30, aus Klemme 15 oder direkt aus einer im Generator integrierten Diodenbrücke erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung besteht darin, daß die Spannungswelligkeit im batteriegepufferten System reduziert werden kann. Die im Generator erzeugte Spannung besitzt eine der Gleichspannung überlagerte Welligkeit, die direkt an der Batterie und damit an den Verbrauchern anliegt. In der vorgeschlagenen

der Batterie und damit an den Verbrauchern anliegt. In der vorgeschlagenen Anordnung wird die Spannungswelligkeit entsprechend der Beziehung dU1 = a [n,m] x dU2 reduziert.

Das vom Generator direkt erzeugte höhere Gleichspannungssystem U2 mit seiner vom eingesetzten Mehrfach-Chopper 4 abhängigen Spannungsamplitude kann zum Anschluß von leistungsstarken Verbrauchern 3 verwendet werden. Die Versorgung von eventuell notwendigen Relaiserregerspulen kann auch hier sowohl aus Klemme 30, aus Klemme 15, aus dem Spannungssystem U2 oder direkt aus einer im Generator integrierten Diodenbrücke erfolgen.

Der Energiefluß von U1 nach U2 bei stillstehendem Generator wird auf einfachste Weise durch Schließen der Schalter T1 ... Tk umgesteuert. Damit wirkt der Mehrfachchopper 4 als Hochsetzsteller für die Batteriespannung U1.

Eine optische Anzeige über den Spannungszustand des Generators ist beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Ladekontrolle möglich. Zwischen Klemme 15 und dem dargestellten Mittelpunkt der 3-pulsigen Mittelpunktschaltung wird z.B. eine LED geschaltet. Der ebenfalls dargestellte ohmsche Widerstand zwischen Mittelpunkt und Klemme D- wirkt dabei als strombegrenzender Vorwiderstand für die LED. Solange die Generatorspannung kleiner als die an Klemme 15 anliegende Batteriespannung ist leuchtet die LED. Sie erlischt, sobald die Generatorspannuπg den Wert der Batteriespannung erreicht hat.

Die vorteilhafte Eigenschaften der Anordnung eines Fahrzeugbordnetzes mit einer zweiten, höheren Spannungsebene U2 mittels Mehrfach-Chopper sind:

- die Regelung der Batteriespannung U1 erfolgt direkt durch Messung der Spannung an Klemme 15

- die Amplitude der zweiten, höheren Spannungsebene U2 kann in Abhängigkeit von Ausführung und Ansteuerung des Mehrfach-Choppers in Stufen eingestellt werden

- eine Leistungsstellung ohne Beeinflußung des batteriegepufferten Spannungssystems ist möglich

- die Spannungswelligkeit im batteriegepufferten Spannungssystem kann reduziert werden und

- die Versorgung von Lasten an U2 aus U1 ist auch bei stillstehendem Generator möglich.

Die höhere Spannungsebene U2 für leistungsstarke Verbraucher hat insbesondere folgende Vorteile:

- es kann eine Reduzierung des Maximalstromes erreicht werden

- bei gleicher Verbraucherleistung reduzieren sich die ohmschen Verluste

- es können Leitungen mit geringerem Querschnitt verlegt werden, was einen Gewichtsvorteil erbringt

- die Halbleiterbauelemente werden hinsichtlich der Spannungsfestigkeit besser ausgenutzt

- bei gleicher Verbraucherleistung reduzieren sich die Halbieiterkosten, da sich die benötigte Chipfläche verkleinert

- bei gleicher Verbraucherleistung reduzieren sich die Halbleiterverluste

- reduzierte Halbleiterverluste bedeuten einen geringeren Kühlaufwand, der wiederum einen Gewichtsvorteil erbringt

- der Wirkungsgrad der Endstufen erhöht sich und

- bei gleicher Chipfläche kann die maximale Umrichterleistung erhöht werden.