Titel

Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes sowie Recheneinheit und Computerprogramm zu dessen Durchführung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor, ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares Teilnetz und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares Teilnetz aufweist, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Hintergrund der Erfindung

DE 102013206298 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeugs sowie ein Mehrspannungsbordnetz und Mittel zur Implementierung des Verfahrens.

Sogenannte Mehrspannungsbordnetze für Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. Mehrspannungsbordnetze kommen beispielsweise dann zum Einsatz, wenn in einem betreffenden Kraftfahrzeug Verbraucher mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen vorhanden sind. Mehrspannungsbordnetze weisen im Sprachgebrauch dieser Anmeldung sogenannte Teilnetze auf, die für einen Betrieb auf gleichen oder unterschiedlichen Spannungsniveaus, hier als "Betriebsspannungen" bezeichnet, eingerichtet sind. Insbesondere können Mehrspannungsbordnetze als Zweispannungsbordnetze ausgebildet sein, bei denen die Betriebsspannungen beispielsweise nominell 48 V (in einem sogenannten Hochvoltteilnetz) und nominell 12 V (in einem sogenannten Niedervoltteilnetz) betragen können. Es versteht sich, dass die Betriebsspannung im Hochvoltteilnetz beispielsweise auch deutlich höher als 48V liegen kann, z.B. bei 400V oder 800V. Einzelne oder auch alle Teilnetze können z.B. als Gleichspannungsnetz(e) betrieben werden.

Zwei Teilnetze eines Mehrspannungsbordnetzes können über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sein. Wenigstens eines der zwei Teilnetze, insbesondere das erste Teilnetz, weist bevorzugt eine generatorisch betreibbare elektrische Maschine auf, die das jeweilige Teilnetz speist. Das über den genannten Gleichspannungswandler angebundene jeweils andere Teilnetz kann dann wiederum aus dem Teilnetz mit der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine gespeist werden, wenn dieses selbst keine generatorisch betreibbare elektrische Maschine aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes für ein Kraftfahrzeug sowie eine Vorrichtung mit einer Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsbordnetzes für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, ein erstes, bei einer ersten Betriebsspannung betreibbares Teilnetz und ein zweites, bei einer zweiten Betriebsspannung betreibbares Teilnetz aufweist, wobei die erste Betriebsspannung höher ist als die zweite Betriebsspannung und das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind, wobei das erste Teilnetz eine erste Batterie aufweist. Dabei sieht das Verfahren vor, dass, wenn erfasst wird, dass das zweite Teilnetz mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, der Gleichspannungswandler so angesteuert wird, dass Strom von dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz fließt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Wiederaufladen auch einer sehr stark entladenen bzw. sogar einer tiefentladenen Batterie in einem Hochvoltbordnetz (z.B. der Batterie eines 48V- Bord netzes) insbesondere mittels externer Ladegeräte, die eigentlich nur zum Laden einer Batterie des zweiten Teilnetzes mit niedriger Spannung geeignet sind, also z.B. nur 12V oder 14V Ladespannung aufweisen, oder ggf. auch ein Fremdstarten durch ein weiteres Fahrzeug durch Kopplung z.B. der 12V-Batterie des weiteren Fahrzeugs mit dem zweiten Teilnetz des Fahrzeugs. Dies kann, insbesondere nach Selbstentladung wegen längerem Stillstand oder bei sehr niedriger Temperatur, die einzige Möglichkeit sein, das Fahrzeug selbst wieder in Betrieb zu nehmen, ohne die Hochvoltbatterie (erste Batterie) direkt zu laden. Ggf. kann ein direktes Laden der Hochvoltbatterie nämlich nur in einer Werkstatt möglich sein. Im Rahmen der Erfindung kann hingegen eine externe Spannungsquelle beispielsweise mittels Überbrückungskabeln an das zweite Teilnetz angekoppelt werden. Über den z.B. üblicherweise nur in Richtung von der höheren Betriebsspannung in Richtung der niedrigeren Betriebsspannung wirkenden Gleichrichter, dessen Betriebsrichtung nun umgekehrt wird, kann dann vorteilhafterweise das Aufladen der Batterie im ersten Teilnetz erfolgen.

Insbesondere vorteilhaft beträgt eine Betriebsspannung des zweiten Teilnetzes (nominell) 12 V, es handelt sich also um ein übliches PKW-Bordnetz, so dass auch übliche externe Ladegeräte oder andere PKW-Bordnetze als externe Spannungsquelle damit verbunden werden können.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ferner erfasst, ob ein Ladezustand (engl state of Charge, SOC) der ersten Batterie einen Ladeschwellwert überschreitet, und das Ansteuern des

Gleichspannungswandlers so, dass Strom von dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz fließt, wird beendet oder gar nicht erst gestartet, wenn der Ladezustand der ersten Batterie den Ladeschwellwert überschreitet. Damit kann ein unnötig langes bzw. unnötiges Aufladen vermieden werden. Der Ladeschwellwert kann z.B. deutlich unter dem Ladezustand bei vollgeladener erster Batterie liegen. Beispielsweise liegt der Ladeschwellwert bei höchstens 70% des Ladzustands der vollgeladenen Batterie, bevorzugt bei höchstens 50%, besonders bevorzugt bei höchstens 20% der vollgeladenen Batterie und ganz besonders bevorzugt bei höchstens 5% der vollgeladenen Batterie. Beispielsweise liegt ein besonders bevorzugter Ladeschwellwert bei 1% oder bei 3 % oder bei 5% oder bei 10% des Ladezustands der vollgeladenen Batterie. Er kann jedoch auch bei 15% oder bei 20% oder bei 25% oder bei 30% oder bei 40% oder bei 50% oder bei 60% oder bei 70% des Ladezustands der vollgeladenen Batterie liegen.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der Ladeschwellwert so gewählt ist, dass ein Ladezustand oberhalb des Ladeschwellwertes ausreicht, um mittels einer elektrischen Maschine den Verbrennungsmotor zu starten.

Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um einen (motorischen) Starter oder um einen (motorisch und generatorisch betreibbaren) Startergenerator handeln. Insbesondere dient die elektrische Maschine (generatorisch betrieben) auch zum Versorgen des ersten Teilnetzes, während der Verbrennungsmotor läuft. Währenddessen kann auch die erste Batterie geladen werden und/oder über den Gleichspannungswandler das zweite Teilnetz versorgt werden. Wenn der Verbrennungsmotor läuft, wird der Gleichspannungswandler also zweckmäßigerweise so angesteuert, dass Strom von dem ersten in das zweite Teilnetz fließt.

Bevorzugt umfasst das Erfassen, ob das zweite Teilnetz mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, ein Bestimmen eines in eine zweite Batterie in dem zweiten Teilnetz fließenden Stroms (bzw. ein Bestimmen der Höhe eines in die zweite Batterie des zweiten Teilnetzes fließenden Stroms) und/oder ein Bestimmen einer in dem zweiten Teilnetz anliegenden Spannung (bzw. der Höhe der Istspannung des zweiten Teilnetzes). Auf diese Weise kann insbesondere ermittelt werden, ob Strom in die zweite Batterie fließt, d.h. die zweite Batterie geladen wird, bzw. ob die in dem zweiten Teilnetz anliegende Spannung ausreichend hoch ist, um die dortige Batterie zu laden. Insbesondere liegt die Ladespannung immer etwas über der eigentlichen Batteriespannung (z.B. bei ca. 14V in einem 12 V- Bord netz). Dadurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass die erste Batterie nur dann geladen wird, wenn die externe Spannungsquelle an dem zweiten Teilnetz die zweite Batterie ausreichend mit Strom versorgen kann bzw. eine stabile Spannung in dem zweiten Teilnetz durch die externe Spannungsquelle bereitgestellt wird. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler nur dann so angesteuert wird, dass Strom von dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz fließt, wenn der bestimmte Strom und/oder die bestimmte Spannung einen Stromgrenzwert bzw. einen Spannungsgrenzwert übersteigen. Dadurch kann ein unerwünschtes Entladen der Batterie des zweiten Teilnetzes zugunsten der Batterie des ersten Teilnetzes vorteilhaft vermieden werden.

Zweckmäßigerweise wird, wenn festgestellt wurde, dass das zweite Teilnetz mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, überprüft, ob die in dem zweiten Teilnetz anliegende Spannung (Istspannung) oberhalb eines Ladespannungsschwellwerts (bzw. dem zuvor genannten Spannungsgrenzwert) bleibt, während der Gleichspannungswandler so angesteuert wird, dass Strom von dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz fließt. Dies bedeutet, dass die externe Spannungsquelle leistungsfähig genug ist, um auch die erste Batterie mittels des Gleichspannungswandlers zu laden. Vorteilhafterweise wird so eine Entladung einer Batterie des zweiten Teilnetzes vermieden beim Aufladen der Batterie des ersten Teilnetzes.

Sollte hingegen die in dem zweiten Teilnetz anliegende Spannung wieder unter den Ladespannungsschwellwert sinken, wenn der Gleichspannungswandler so angesteuert wird, dass Strom von dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz fließt, bedeutet dies, dass die die externe Spannungsquelle nicht leistungsfähig genug ist, um auch die erste Batterie mittels des Gleichspannungswandlers zu laden. In diesem Falls sollte der Gleichspannungswandler dann deaktiviert werden, so lange dieselbe externe Spannungsquelle an das zweite Teilnetz angeschlossen ist.

Mit anderen Worten: der Gleichspannungswandler wird deaktiviert, wenn festgestellt wird, dass die in dem zweiten Teilnetz anliegende Spannung unter den Ladespannungsschwellwert (bzw. Spannungsgrenzwert) sinkt. Weiterhin vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler so angesteuert wird, dass Strom von dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz fließt, wenn erfasst wird, dass der Verbrennungsmotor gestartet ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass eine Batterie des zweiten Teilnetzes über das erste Teilnetz geladen werden kann bzw. ihren Ladezustand aufrechterhalten kann. Weiterhin vorteilhaft ist auf diese Weise keine elektrische Maschine im generatorischen Betrieb notwendig, die ausschließlich für die Stromversorgung des zweiten Teilnetzes zuständig ist.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist.

Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Medien zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash- Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) oder aus der Cloud ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder6G-Verbindung, etc.) erfolgen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Zweispannungsbordnetz, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann, in Form eines schematischen Schaltplans;

Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm, in dem schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt wird.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist ein Zweispannungsbordnetz, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann, in Form eines schematischen Schaltplans gezeigt und insgesamt mit 110 bezeichnet. Das Zweispannungsbordnetz kann z.B. eingerichtet bzw. vorgesehen sein zum Betrieb in einem Kraftfahrzeug, welches z.B. einen Verbrennungsmotor 40 aufweist.

Das Zweispannungsbordnetz 110 verfügt über ein erstes Teilnetz 10 mit einer ersten Betriebsspannung und ein zweites Teilnetz 20 mit einer zweiten Betriebsspannung, die niedriger ist als die erste Betriebsspannung. Das erste Teilnetz 10 ist hier beispielsweise für einen Betrieb bei 48 V als nominelle Betriebsspannung ausgelegt (es versteht sich, dass auch deutlich höhere Spannungen vorgesehen sein können, z.B. bis zu 400V oder sogar bis zu 800V). Das zweite Teilnetz 20 ist hier beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V als nominelle Betriebsspannung ausgelegt. Bei dem ersten Teilnetz 10 handelt es sich damit um ein sogenanntes Hochvoltteilnetz, bei dem zweiten Teilnetz 20 um ein sogenanntes Niedervoltteilnetz.

In dem ersten Teilnetz 10 ist eine elektrische Maschine 11 mit einem Umrichter 12 vorgesehen. Die elektrische Maschine 11 kann zumindest generatorisch betrieben werden und über den Umrichter 12 Strom in das erste Teilnetz 10 einspeisen. Insbesondere kann die elektrische Maschine 11 auch motorisch betrieben werden. Beispielsweise kann in sogenannten Rekuperationssystemen mittels der elektrischen Maschine 11 Bremsleistung zurückgewonnen und/oder ein Verbrennungsmotor 40 momentenleistend unterstützt werden. Die elektrische Maschine 11 kann auch zum Starten des Verbrennungsmotors 40 als sog. Startergenerator eingerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein separater Startermotor 21 vorhanden sein.

In dem ersten Teilnetz 10 ist ein entsprechend ausgelegter Energiespeicher 13 vorgesehen, der für einen Betrieb mit der ersten Betriebsspannung eingerichtet ist, beispielsweise eine erste Batterie (z.B. eine 48V-Batterie) oder ein Kondensator. Ein Verbraucher in dem ersten Teilnetz 10 ist schematisch mit 14 veranschaulicht, es kann sich hier z.B. um eine Klimaanlage oder um wenigstens ein Steuergerät handeln.

In dem zweiten Teilnetz 20 ist beispielsweise der erwähnte Startermotor 21 vorgesehen, der für einen Start des Verbrennungsmotors 40 des Kraftfahrzeugs, in dem das Zweispannungsbordnetz 110 ausgebildet ist, verwendet werden kann. In dem zweiten Teilnetz 20 ist ferner ein ebenfalls für eine entsprechende Betriebsspannung eingerichteter Energiespeicher 23 vorgesehen, beispielsweise eine herkömmliche zweite Fahrzeugbatterie (z.B. eine 12V- Batterie). Ein Verbraucher ist auch hier schematisch mit 24 veranschaulicht, es kann sich hierbei z.B. um ein Steuergerät handeln.

Das erste Teilnetz 10 und das zweite Teilnetz 20 sind über einen Gleichspannungswandler 30 miteinander verbunden. Im dargestellten Beispiel ist in dem ersten Teilnetz 10 die elektrische Maschine 11 vorgesehen, so dass letztlich das zweite Teilnetz 20 aus dem ersten Teilnetz 10 gespeist wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch in bestimmten Fällen das erste Teilnetz 20 aus dem zweiten Teilnetz 10 gespeist. Eine Steuereinheit 50 ist zur Ansteuerung des Zweispannungsbordnetzes 110 bzw. dessen Komponenten, hier insbesondere des Gleichspannungswandlers 30, über Ansteuerleitungen 51 eingerichtet.

Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Fluss- bzw. Blockdiagramms, in welchem drei Zustände S1, S2 und S3 enthalten sind.

51 betrifft einen Wartezustand, in welchem ein Ladezustand der ersten Batterie 13 überwacht wird. Weiterhin wird überwacht, ob das zweite Teilnetz 20 mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist - dies kann z.B. ein Ladegerät, z.B. ein 12V-Ladegerät, sein oder ein Bordnetz eines weiteren Fahrzeugs, welches „Starthilfe“ gibt. Dieser Zustand S1 wird insbesondere als erster Zustand von dem Steuergerät 50 nach dem Aufstarten oder Aufwecken eingenommen.

Wird festgestellt, dass einerseits der Ladezustand der ersten Batterie einen Ladeschwellwert unterschreitet und andererseits das zweite Teilnetz 20 mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, wird entlang der Verbindung V2 in den Zustand S2 gewechselt.

Zum Erfassen, ob das zweite Teilnetz 20 mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, kann beispielsweise ein Stromfluss in die zweite Batterie 23 oder eine in dem zweiten Teilnetz 20 anliegende Spannung (Istspannung), insbesondere durch entsprechende Sensoren (z.B. sog. Batteriesensor) bestimmt werden. Fließt Strom in die zweite Batterie 23 oder liegt die Istspannung in dem zweiten Teilnetz oberhalb eines

Ladespannungsschwellwerts, ist davon auszugehen, dass das zweite Teilnetz 20 mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist (beispielsweise kann eine solche Istspannung 14,4V betragen und der Ladespannungsschwellwert bzw. Spannungsgrenzwert kann z.B. 14,0V oder 13,5V oder 13,0V betragen).

52 bezeichnet den Zustand, in welchem die erste Batterie 13 durch die externe Spannungsquelle geladen werden soll. In diesem Zustand S2 wird daher der Gleichspannungswandler 30 so angesteuert, dass Strom von dem zweiten Teilnetz 20 in das erste Teilnetz 10 fließt - die Spannung der externen Spannungsquelle muss also durch den Gleichspannungswandler 30 auf den höheren Wert des ersten Teilnetzes 10 hochgewandelt werden. Der Ladezustand der ersten Batterie 13 wird weiterhin überwacht.

Wird festgestellt, dass der Ladezustand der ersten Batterie 13 den Ladeschwellwert überschreitet (z.B. größer wird als 1% oder 3% oder 5% oder 10% oder 20% oder 50% des Ladezustands bei vollgeladener erster Batterie 13 oder wenn der Ladezustand ausreicht, den Verbrennungsmotor 40 zu starten), wird entlang der Verbindung V1 in den Zustand S1 gewechselt. Dies bedeutet, dass die erste Batterie 13 wieder ausreichend aufgeladen ist, insbesondere um den Verbrennungsmotor 40 mittels der elektrischen Maschine 11 (oder 21) zu starten. Es sei bemerkt, dass auch zum alternativen Starten mittels des Startermotors 21 ggf. ein ausreichender Ladezustand der ersten Batterie 13 gegeben sein muss, um einen Spannungseinbruch im zweiten Teilnetz 20 zu verhindern.

Wird im Zustand S2 (d.h. wenn der Gleichspannungswandler 30 so angesteuert wird, dass Strom von dem zweiten Teilnetz 20 in das erste Teilnetz 10 fließt) festgestellt, dass die in dem zweiten Teilnetz 20 anliegende Spannung nicht oberhalb des Ladespannungsschwellwerts bleibt, sondern insbesondere einbricht, deutet dies darauf hin, dass die externe Spannungsquelle nicht leistungsfähig genug ist, um die erste Batterie zu laden. In diesem Fall wird ebenfalls zurück in den Zustand S1 gewechselt und der Gleichspannungswandler 30 zweckmäßigerweise deaktiviert. Dieser Übergang kann in Fig. 2 z.B. ebenfalls entlang der Verbindung V1 erfolgen.

Wird im Zustand S1 oder S2 festgestellt, dass der Verbrennungsmotor gestartet ist, wird entlang der Verbindung V3 in den Zustand S3 gewechselt.

S3 bezeichnet z.B. den normalen Betriebszustand, in welchem z.B. der Verbrennungsmotor läuft und die elektrische Maschine 11 generatorisch betreibt, oder ggf. von der elektrischen Maschine 11 motorisch unterstützt wird (z.B. in einem sog. Boostbetrieb oder zur Lastpunktverschiebung). Je nach Drehmomentanforderung an das System kann im Zustand S3 - bei ausreichend geladener erster Batterie 13 - die elektrische Maschine 11, z.B. kurzfristig, auch motorisch betrieben werden, um mehr Leistung im Antriebsstrang zur Verfügung zu haben, z.B. in einem Boostbetrieb. Auch kann die elektrische Maschine 11 bei ausreichendem Ladezustand der ersten Batterie 13 im Zustand S3 auch dazu dienen, einen Teil der Drehmomentanforderung beizusteuern, um so einen Lastpunkt des Verbrennungsmotors zu verschieben und dadurch z.B. dessen Energieverbrauch und/oder dessen Emissionen zu verringern.