„Verfahren zur Steuerung eines Verbrauchers eines Niedervoltbordnetzes"

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz und ein Verfahren zum Schalten eines Trennelements eines Bordnetzes.

Ein Bordnetz eines Fahrzeugs enthält üblicherweise eine Reihe von Bordnetzverbrauchern, einen Starter, einen elektrischen Energiespeicher zum Versorgen der Bordnetzverbraucher und des Starters mit Energie und Trennschalter. Mit Hilfe der Trennschalter können die

Bordnetzverbraucher bei einem Start eines Motors eines Fahrzeugs von dem Energiespeicher getrennt werden, um den Starter mit ausreichend Energie zu versorgen.

In herkömmlichen Bordnetzen können zudem dynamische Verbraucher enthalten sein, deren Betrieb zu Spannungsschwankungen im Bordnetz führen kann. Dadurch kann der Betrieb von Bordnetzverbrauchern, die gegenüber Spannungsschwankungen sensibel sind, gefährdet werden. Diese Spannungsschwankungen werden bisher durch den Einsatz einer Vielzahl an komplexen Bauteilen wie Gleichspannungswandlern (DC/DC-Wandler) und regelbaren CD- Dioden vermieden.

In ungünstigen Betriebsfällen werden die Leistungsgrenzen des DC/DC-Spannungswandlers durch eine zu hohe Niedervolt-Bordnetzlast überschritten. Resultierend daraus wird Energie aus der Niedervoltbatterie entnommen, was in einer höheren Belastung durch stärkere Zyklisierung mündet. Im ungünstigsten Fall, z.B. wenn die Batterie entladen ist oder die Batterieklemme nicht verbunden ist, kann ein Bordnetzausfall in Folge von Unterspannung auftreten.

Gemäß der europäischen Patentanmeldung EP 0 601 300 A1 werden in der Steuereinrichtung des Fahrzeugs verschiedene Fahrzustände definiert, denen jeweils vorgegebene Typen von elektrischen Verbrauchern zugeordnet sind. Auf der Basis der von Sensoren gelieferten Signale kann dann je nach Fahrzustand bestimmt werden, welche Typen von Verbrauchern einzeln oder gruppenweise, gleichzeitig oder nacheinander entsprechend einer vorgegebenen

Reihenfolge, ab- oder rückgeschaltet werden sollen. Zur Entlastung des elektrischen

Bordnetzes werden sowohl bei unterschiedlichen Belastungszuständen der Brennkraftmaschine als auch bei deren An- oder Abschaltung für die elektrischen Verbraucher eine Ab- oder Rückschalthierarchie festgelegt wird, die einerseits ein Optimum an Energieeinsparung und andererseits eine vollständige Aufrechterhaltung der Betriebs- und Fahrsicherheit des

Fahrzeugs ermöglicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Verbrauchers eines Niedervolt-Kraftfahrzeugbordnetzes und eine entsprechend eingerichtete Steuerungsvorrichtung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die

Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zur Steuerung eines

Verbrauchers eines Niedervoltbord netzes eines Kraftfahrzeugs beschrieben, bei dem, wenn ein Zuschalten eines Hochstromverbrauchers erkannt wird, der Stromverbrauch eines anderen Verbrauchers um einen Betrag zurückgenommen wird, der dem Stromverbrauch des

Hochstromverbrauchers entspricht.

Das Verfahren kann in einem beliebigen Kraftfahrzeug eingesetzt werden, vorzugsweise jedoch in einem Hybridfahrzeug, bei dem ein Niedervoltbordnetz von einem Hochvoltbordnetz über einen Gleichspannungswandler gespeist wird.

Das Verfahren kann als Steuersoftware implementiert sein, beispielsweise in einem

Energiemanager des Kraftfahrzeugs.

Bei dem Stromverbraucher, dessen Stromverbrauch zurückgenommen wird, kann es sich um einen beliebigen Verbraucher eines Niedervolt-Kraftfahrzeugbordnetzes handeln.

Vorteilhafterweise handelt es sich jedoch um einen Verbraucher mit einem ausreichend hohen Stromverbrauch, so dass eine Zurücknahme des Stromverbrauchs des Verbrauchers zu einer nicht unwesentlichen Reduzierung der Gesamtbelastung des Niedervoltbordnetzes führt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem Verbraucher, dessen Stromwert

zurückgenommen wird, um einen Verbraucher handelt, dessen Wirkung mit Trägheit auf ein Zurücknehmen des Stromwertes reagiert. Damit ist gewährleistet, dass beispielsweise ein sofortiges Abschalten des Verbrauchers nicht unmittelbar zu einer kritischen Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des gesamten Kraftfahrzeugs führt.

Bei dem Verbraucher, dessen Stromwert zurückgenommen wird, kann es sich beispielsweise um den Kühlerlüfter handeln, denn das Kühlungssystem weist eine gewisse Trägheit auf. Wird der Kühlerlüfter spontan abgeschaltet, führ dies nicht unmittelbar zu einer Überhitzung des Motors. Vielmehr steigt die Temperatur Kühlungssystems nach Abschalten des Kühlerlüfters nur langsam an.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verbraucher, dessen Stromwert zurückgenommen wird, eine Induktivität aufweist, so dass bei Zurücknehmen des Stromwertes des Verbrauchers eine Induktionsspannung generiert wird, welche das Niedervoltbordnetz zusätzlich speist. Dies hat den Vorteil, dass durch Herunterfahren des Verbrauchers nicht nur die Stromentnahme des Verbrauchers reduziert wird, sondern dem Niedervoltbordnetz in Momenten von

Stromentnahmespitzen sogar zusätzliche Leistung zugeführt werden kann.

Bei dem Hochstromverbraucher kann es sich um einen beliebigen Verbraucher eines

Niedervolt-Kraftfahrzeugbordnetzes handeln. Der Begriff Hochstromverbraucher ist hier so zu verstehen, dass der Stromverbrauch des Hochstromverbrauchers für die Belastung des Bordnetzes nicht unwesentlich ist, d.h. z.B. in kritischen Betriebszuständen ein Hinzuschalten des Hochstromverbrauchers etwaige ungünstige Auswirkungen auf die Betriebssituation wie beispielsweise einen Zusammenbruch der Niedervoltspannung oder einen Ausfall eines das Niedervoltnetz speisenden Gleichspannungswandlers mit sich bringen könnte.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Hochstromverbraucher um einen Verbraucher, der nur kurzzeitig zugeschaltet wird. Dies hat den Vorteil, dass durch Hinzuschalten des

Hochstromverbrauchers nur kurzfristige Stromspitzen entstehen, die durch zeitlich beschränktes Abschalten eines anderen Verbrauchers vorübergehend kompensiert werden können.

Bei dem Hochstromverbraucher kann es sich beispielsweise um eine Getriebepumpe (bzw. eine eine Ölpumpe) handeln, die für den normalen Schaltbetrieb und/oder zur Kühlung verwendet wird. Eine solche Getriebepumpe wird in bestimmten Betriebszuständen lediglich kurzfristig aktiviert, so dass eine durch Aktivierung der Getriebepumpe bewirkte Stromspitze durch ein zeitlich beschränktes Abschalten eines anderen Verbrauchers, wie beispielsweise einem Kühlerlüfter, vorübergehend kompensiert werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es demnach, verschiedene Verbraucher miteinander zu betrachten, mithin verschiedene Verbraucher zu "verschränken" bzw. zu verschalten.

Beispielsweise wird der Kühlerlüfter mit hoher Leistung unter bestimmten Bedingungen gegen die hohe Leistung der Getriebepumpe "verschränkt" bzw. verschaltet. Im Moment des

Einschaltens der Getriebepumpe wird für kurze Zeit der Kühlerlüfter auf den minimalsten Volumenstrom reduziert. Hierbei wird die Trägheit des Kühlungssystems ausgenutzt. Hat die Getriebepumpe den erforderlichen Druck aufgebaut, kann der Kühlerlüfter sofort wieder hochdrehen.

Bei dem Verfahren wird vorteilhafter Weise ein Steuersignal ausgewertet, welches eine kritische Belastung des Niedervoltnetzes anzeigt und wobei der Stromverbrauch des anderen

Verbrauchers zurückgenommen wird, falls das Steuersignal eine kritische Belastung des Niedervoltnetzes anzeigt. Insbesondere kann das Steuersignal anzeigen, dass viele

Verbraucher Energie benötigen. Das Steuersignal kann beispielsweise auch erzeugt werden, wenn zu viel Energie aus einer Niedervoltbatterie entnommen wird, insbesondere wenn die Batterie nicht mehr genug Energie enthält, um eine stabile Versorgung des

Niedervoltbordnetzes zu gewährleisten. Alternativ kann das Steuersignal auch erzeugt werden, wenn eine Stromentnahme aus einem Hochvoltbordnetz einen kritischen Wert überschreitet. In die Erzeugung des Steuersignals kann beispielsweise auch einfließen, ob der

Verbrennungsmotor unter Volllast (z.B. Bergauf, viel Gewicht u./o. Anhänger) betrieben wird.

Das Steuersignal kann auch auf Basis einer Kombination der genannten Faktoren bestimmt werden. Das Steuersignal kann beispielsweise von einer Energiemanagement-Einheit des Kraftfahrzeugs, von einem Batteriemanager oder von einer Leistungselektronik erzeugt werden.

Ferner kann bei dem Verfahren ein Steuersignal ausgewertet werden, welches über die

Zuschaltung des Hochstromverbrauchers informiert. Bei dem Steuersignal kann es sich beispielsweise um ein Signal der Motorsteuerung handeln, das einen Verbraucher wie eine Getriebepumpe aktiviert. Das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise den Signalfluss einer Motorsteuerung auf das Auftreten des Steuersignals überwachen. Dies hat den Vorteil, dass für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kein wesentlicher Eingriff in die Motorsteuerung erfolgen muss.

Nach Erkennen des Steuersignals, welches über die Zuschaltung des Hochstromverbrauchers informiert, wird vorteilhafter Weise der Stromverbrauch des anderen Verbrauchers maximal zurückgenommen. Liegt beispielsweise der Leistungsverbrauch einer Getriebepumpe bei maximaler Belastung bei 500 W und der Leistungsverbrauch eines Kühlerlüfters bei 600 W, so kann durch komplettes Zurückfahren des Stromverbrauchs des Kühlerlüfters eine von der Getriebepumpe erzeugte Belastungsspitze kurzfristig kompensiert werden.

Alternativ wird nach Erkennen des Steuersignals, welches über die Zuschaltung des

Hochstromverbrauchers informiert, der Stromverbrauch des anderen Verbrauchers um einen Betrag zurückgenommen, der im Wesentlichen dem Stromverbrauch des

Hochstromverbrauchers entspricht. Dazu können im Energiemanagement des Kraftfahrzeugs typische Leistungswerte der Verbraucher hinterlegt werden. Handelt es sich bei dem

zurückzunehmenden Verbraucher beispielsweise um einen PWM-Kühlerlüfter, so kann dieser per Pulsweitenmodulation differenziert angesteuert werden, so dass der Stromverbrauch eingestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Summe der Leistung nahezu konstant bleibt, bzw. bei induktiven Verbrauchern sogar geringer werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Steuerungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die dazu ausgelegt ist, die oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Bei der

Steuerungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Energiemanagement-System eines Kraftfahrzeugs handeln. Die Steuerungsvorrichtung kann als ein Prozessor ausgeführt sein, auf dem Software ausgeführt wird, welche die oben beschriebenen Verfahren ausführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Steuerung von Verbrauchern eines Niedervoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs zeigt; und

Fig. 2 schematisch eine Steuervorrichtung zur Steuerung von Verbrauchern eines

Niedervoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs zeigt.

Bezugnehmend auf das Steuerungsverfahren der Fig. 1 :

Das Verfahren startet in Schritt SO.

In Schritt S1 wird ein Steuersignal ausgewertet, welches das Hinzuschalten einer

Getriebepumpe (500 W Maximalverbrauch) anzeigt. Wird kein Hinzuschalten einer Getriebepumpe erkannt, so kehrt das Verfahren zum Start SO zurück. Wird ein Hinzuschalten einer Getriebepumpe erkannt, so fährt das Verfahren mit Schritt S2 fort.

In Schritt S2 wird ein Steuersignal ausgewertet, welches eine kritische Belastung des

Niedervoltnetzes anzeigt. Bei dem Steuersignal handelt es sich um ein vom

Energiemanagement des Kraftfahrzeugs erzeugtes binäres Signal, welches anzeigt, dass eine kritische Belastung vorliegt, oder, alternativ, dass keine kritische Belastung vorliegt.

Liegt keine kritische Belastung des Niedervoltnetzes vor, so kehrt das Verfahren zum Start SO zurück. Für den Fall des Einschaltens der Getriebepumpe kann es vorkommen, dass der DC/DC Wandler (2,5kW Maximalleistung) nicht genug Energie bereitstellt oder allg. nicht genug Energie vorhanden ist. Liegt solch eine kritische Belastung des Niedervoltnetzes vor, so fährt das Verfahren mit Schritt S3 fort.

In Schritt S3 wird der Stromverbrauch eines Kühlerlüfters zurückgenommen. Hier wird insbesondere der elektrische PWM (PulsWeitenModulierte) Kühlerlüfter (600W

Maximalverbrauch) sehr schnell von 100% auf 0 heruntergetaktet oder auf minimalsten

Volumenstrom reduziert, indem ein entsprechendes Steuersignal an den Kühlerlüfter gesendet wird. Es erfolgt damit ein sehr schnelles Abschalten des Kühlerlüfters. Da das Kühlersystem mit Trägheit auf ein Abschalten des Kühlerlüfters reagiert, nimmt die Kühlertemperatur nach Abschalten des Kühlerlüfters nicht sprunghaft, sondern nur langsam zu. Vorteilhaft ist, dass dadurch auch noch eine Induktionsspannung aufgebaut wird, die zusätzlich Energie bereit stellt. Dadurch werden Spannungsspitzen vermieden, die sich ansonsten störend auswirken.

In Schritt S4 wird das Steuersignal, welches das Hinzuschalten einer Getriebepumpe anzeigt, daraufhin überprüft, ob die Getriebepumpe noch Strom benötigt, oder nicht. Hat die

Getriebepumpe den erforderlichen Druck aufgebaut, so wird sie von der Motorsteuerung wieder deaktiviert, so dass sie keine elektrische Leistung mehr verbraucht. Schritt S4 wird so lange ausgeführt, bis erkannt wird, dass das Hinzuschalten der Getriebepumpe beendet ist. Wird erkannt wird, dass das Hinzuschalten der Getriebepumpe beendet ist, dann fährt das Verfahren mit Schritt S5 fort.

In Schritt S5 wird der Kühlerlüfter wieder in seinen vorigen Betriebszustand (100%)

hochgefahren, indem ein entsprechendes Steuersignal an den Kühlerlüfter gesendet.

Das Verfahren kehrt schließlich zum Start SO zurück. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kühlerlüfter mit hoher Leistung unter bestimmten Bedingungen gegen die hohe Leistung der Getriebepumpe "verschränkt" bzw. verschaltet. Im Moment des Einschaltens der Getriebepumpe wird für kurze Zeit der Kühlerlüfter auf minimalsten Volumenstrom reduziert.

Das Verfahren kann auf diese Weise in einem Energiemanagement-System ständig ausgeführt werden, um das Auftreten von Stromspitzen zu überwachen und durch entsprechendes Abschalten anderer Komponenten solche Stromspitzen zu kompensieren, bevor sie sich ausbilden können. Dadurch kann eine Überlastung des Niedervoltbordnetzes verhindert werden.

Bezugnehmend auf die Steuervorrichtung der Fig. 2:

Das Energiemanagement-System 1 weist eine Schnittstelle auf, um Steuersignale 2

entgegenzunehmen, auf deren Basis ermittelt wird, ob eine kritische Belastung des

Niedervoltnetzes vorliegt. Bei diesen Steuersignalen 2 kann es sich beispielsweise um

Parameter einer Niedervoltbatterie handeln, welche das Energiemanagement-System 1 von einem Batteriemanager der Niedervoltbatterie erhält. Bei diesen Steuersignalen 2 kann es sich ferner um Sensordaten handeln, aus welchen das Energiemanagement-System den aktuellen Stromverbrauch verschiedenster Komponenten des Bordnetzes ermitteln kann. Bei diesen Steuersignalen 2 kann es sich ferner um die Ausgabe einer Leistungselektronik handeln, welche das Energiemanagement-System 1 beispielsweise über den Betriebszustand eines Gleichspannungswandlers informiert.

Das Energiemanagement-System 1 weist ferner eine Schnittstelle auf, um ein Steuersignal 3 entgegenzunehmen, welches über die Zuschaltung eines Hochstromverbrauchers,

insbesondere einer Getriebepumpe informiert. Das Energiemanagement-System 1 kann solch ein Steuersignal 3 beispielsweise direkt von der jeweiligen Komponenten erhalten, oder aber auch von einer Motorsteuerung. Das Energiemanagement-System 1 könnte auch mehrere solche Steuersignale 3 betreffend unterschiedliche Hochstromverbraucher entgegennehmen.

Das Energiemanagement-System 1 weist ferner eine Schnittstelle auf, um ein Steuersignal 4 auszugeben, welches den Leistungsverbrauch bzw. Stromverbrauch einer Komponente, hier insbesondere eines Kühlerlüfters steuert. Im Falle des Kühlerlüfters kann es sich beispielsweise um ein PWM-Signal handeln, mit dem die Frequenz des Kühlerlüfters gesteuert wird. Das Energiemanagement-System 1 könnte auch mehrere solche Steuersignale 4 betreffend unterschiedliche Komponenten entgegennehmen.

Die genannten Schnittstellen können beispielsweise ein Fahrzeugdatenbussystem und entsprechende Übertragungselektronik umfassen.

Soweit im vorstehenden auf ein Energiemanagement-System und eine Motorsteuerung abgestellt wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Funktionalität dieser Steuerungen in einem Prozessor realisiert werden kann und als Software implementiert werden kann. Die Funktionalität muss nicht notwendiger weise auf zwei getrennte Hardware-Einheiten separiert sein. Vielmehr kann die Funktionalität auch in einem zentralen Fahrzeugprozessor realisiert werden, oder auch als verteiltes System, das über mehrere Komponenten verteilt ist.

Ferner wird der Fachmann erkennen, dass die in den Ausführungsbeispielen angegebene Reihenfolge von Schritten nicht zwingend ist. So können beispielsweise in dem

Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Schritte S1 und S2 auch vertauscht werden.

Bezugszeichenliste Energiemanagement-System

Steuersignale zur Ermittlung einer kritischen Belastung des Niedervoltnetzes Steuersignal welches über die Zuschaltung eines Hochstromverbrauchers informiert Steuersignal welches den Leistungsverbrauch einer Komponente steuert

Start

Erkennen des Hinzuschaltens einer Getriebepumpe

Überprüfen auf eine kritische Belastung des Niedervoltnetzes

Zurücknehmen des Stromverbrauchs eines Kühlerlüfters

Überprüfen, ob das Hinzuschalten der Getriebepumpe beendet ist

Hochfahren des Kühlerlüfters