ENERGIEVERSORGUNGSSCHAL MIT EINEM VIER-QUADRANTξN-DCDC WANDLER FüR EIN KRAFTFAHRZEUG-BORDNETZ

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer

Anzahl von über das Bordnetz mit elektrischer Energie betriebenen Verbrauchern und einem die Energieversorgung steuernden Steuergerät sowie einem Hauptenergiespeicher und einem kapazitiven Nebenenergiespeicher .

Basierend auf dem steigenden Funktionsumfang moderner Kraftfahrzeuge werden an die Bordnetze dieser Kraftfahrzeuge enorme Anforderungen gestellt. Dies äußert sich in einer zunehmenden Zahl elektrischer Verbraucher und steigendem Verbrauch von elektrischer Energie. Die Belastung eines solchen Kraftfahrzeugbordnetzes ist typischerweise zeitlich stark schwankend. Für die weitere Entwicklung ist davon auszugehen, dass die Belastung von Bordnetzen in modernen Kraftfahrzeugen weiter steigen wird.

Die klassische Form der Energiespeicherung in Kraftfahrzeugen basiert auf der Wandelung von elektrischer Energie in chemische Energie. Die elektrische Energie wird in Zeiten günstiger Betriebszustände durch einen Generator, beispielsweise eine Lichtmaschine, erzeugt und für den Verbrauch in Zeiten ungünstiger Betriebszustände im elektrochemischen Speicher, in den meisten Fällen als Batterie ausgelegt, eingelagert. Durch die erwähnte zeitlich stark schwankende Belastung des Bordnetzes ergibt sich folglich ein häufiger Wechsel zwischen den Betriebszuständen Speieherladung und Entladung. Die daraus folgende häufige Zyklisierung des klassischen Energiespeichers belastet diesen auslegungsbedingt sehr stark und erzeugt entsprechende Nachteile für dessen Lebenserwartung.

Eine weitere Ursache für eine starke Zyklisierung entsteht durch die Aufgabe, die beispielsweise in einem Hybridfahrzeug an die Energieversorgung gestellt wird, Bremsenergie durch

Rekuperation in elektrische Energie zu wandeln und diese in das Bordnetz einzuspeisen oder für einen späteren Verbrauch zu speichern. Ziel dieses Verfahrens ist die Nutzung bereits erzeugter Energie sowie die Senkung des Kraftstoffverbrau- ches .

Um die Lebenserwartung des genannten Hauptenergiespeicher zu erhöhen, besteht die Möglichkeit, am Bordnetz einen weiteren Energiespeicher, einen sogenannten Nebenenergiespeicher, an- zukoppeln. Die Aufgabe des Nebenenergiespeichers besteht in der Bedienung der dynamischen Lasten, um somit die Zyklisie- rung des Hauptenergiespeichers zu reduzieren. Eine weitere Aufgabe des Nebenenergiespeichers ist die Speicherung der nicht sofort zu verbrauchenden Energie, die beispielsweise durch Rekuperation gewonnen wird.

Als Nebenenergiespeicher kommen zyklenfeste Technologien wie beispielsweise eine kapazitive Energiespeicherung durch Doppelschichtkondensatoren zum Einsatz. Andere zyklenfeste Spei- chertechnologien auf elektrochemischer Basis sind ebenfalls möglich.

üblicherweise erfolgt der Betrieb des Nebenenergiespeichers mit einem Spannungsniveau größer oder gleich der Bordnetz- Spannung des Kraftfahrzeuges. Das Spannungsniveau des Nebenenergiespeichers steigt bei Ladung im Vergleich zum Haupt- energiespeicher an, um durch Entladung wieder auf das Niveau des Hauptenergiespeichers zu sinken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug der genannten Art anzugeben, das eine höhere Bandbreite der Nutzung elektrischer Energie sowie eine signifikante Steigerung der Lebenserwartung des Hauptenergiespeichers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Neben- energiespeicher verbrauchsseitig über einen Vier-Quadranten- DCDC-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Die Erfindung geht von der überlegung aus, dass jeder Energiespeicher ein Potential elektrischer Energie aufweist. Die- ses Potential wird allerdings nur bis zu einem vorgegebenen Spannungsniveau ausgenutzt. Im Falle eines Nebenenergiespei- chers ist dieses üblicherweise mit dem Spannungsniveau des Hauptenergiespeichers identisch. Eine höhere Bandbreite der Nutzung elektrischer Energie ist beispielsweise über die Nut- zung der Energie bis zu einem Energiepegel erreichbar, dessen absoluter Wert bei Null liegt.

Um die im Nebenenergiespeicher gespeicherte elektrische Energie möglichst vollständig nutzen und dadurch den Hauptener- giespeicher weitgehend von zyklischen Belastungen freihalten zu können, ist der Vier-Quadranten-DCDC-Wandler vorteilhafterweise derart voreingestellt, dass er die im kapazitiven Nebenenergiespeicher gespeicherte elektrische Energie bis auf ein Spannungsniveau, das unterhalb des Spannungsniveaus des Hauptenergiespeichers liegt, in bester Auslegung auf ein Spannungsniveau von 0 V, entladen kann.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Hauptenergiespeicher von zyklischen Belas- tungen weitgehend befreit und somit seine Lebenserwartung gegenüber der herkömmlichen Anwendung erhöht wird und dass der nutzbare Energieinhalt des Nebenenergiespeichers signifikant erhöht wird. Des Weiteren ist eine Bauraum- und Kostenreduzierung möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in schemati- scher Ansicht die elektrische Anlage eines Kraftfahrzeuges.

Die elektrische Anlage 1 eines Kraftfahrzeuges umfasst einen Generator 2, der bei Antrieb des Kraftfahrzeugs durch den hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor die mechanische in elektrische Energie umsetzt oder in bestimmten Betriebs- zuständen rekuperiert . Dazu erfolgt typischerweise die Spei- cherung überschüssiger elektrischer Energie, die in Phasen günstiger Betriebszustände des Kraftfahrzeuges erzeugt wird, beispielsweise durch Rekuperation in einem Hauptenergiespei- eher 4 für den späteren Verbrauch in Phasen ungünstiger Betriebszustände. Der Hauptenergiespeicher 4 ist in den meisten Fällen als Batterie, deren Funktion auf elektrochemischen Prozessen basiert, ausgeführt.

üblicherweise erfolgt die Versorgung von elektrischen Verbrauchern 10 des Bordnetzes 8 über die im Hauptenergiespei- eher 4 gespeicherte elektrische Energie oder direkt über den

Generator 2.

Um den Hauptenergiespeicher 4 von den für den Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges und den Verbrauch und die Erzeugung elek- trischer Energie typischen zyklischen Belastungen, die sich negativ auf seine Lebensdauer auswirken können, zu entlasten, umfasst die elektrische Anlage 1 neben dem Hauptenergiespei- eher 4 ebenfalls einen Nebenenergiespeicher 6, der sowohl das Bordnetz 8 mit einer Anzahl von Verbrauchern 10 speisen als auch die vom Generator 2 erzeugte oder rekuperierte Energie speichern kann. Dabei ist eine Ladung des Nebenenergiespei- chers 6 über das Spannungsniveau des Hauptenergiespeichers 4 möglich.

Zur Steuerung des Energieflusses für Verbrauch und Speicherung ist ein Steuergerät 12 vorgesehen, das die Höhe der Spannung im Hauptenergiespeicher 4 und im Nebenenergiespei-

eher 6 erfasst und auswertet und unter Berücksichtigung des Ergebnisses der Auswertung die Energieeinspeisung sowie den Abfluß von elektrischer Energie aus dem Nebenenergiespeicher 6 steuert, beispielsweise die Versorgung des Bordnetzes 8 durch den Nebenenergiespeicher 6. Dabei kann der Nebenenergiespeicher auf ein Spannungsniveau, das unterhalb des Spannungsniveaus des Hauptenergiespeichers 4 liegen kann, entladen werden.

Um die im Nebenenergiespeicher 6 gespeicherte elektrische

Energie effektiv und vollständig nutzen zu können und nicht nur denjenigen Anteil, der oberhalb des Spannungsniveaus des Hauptenergiespeichers 4 liegt, ist dem Nebenenergiespeicher 6 ein Vier-Quadranten-DCDC-Wandler 18 zugeordnet, der die Ent- ladung der im Nebenenergiespeicher 6 gespeicherten elektrischen Energie und deren Einspeisung in das Bordnetz 8 bis auf ein Spannungsniveau unterhalb des Spannungsniveaus des Haupt- energiespeichers 4 ermöglicht. Im bestem Fall erfolgt die Ausnutzung der elektrischen Energie des Nebenenergiespeichers 6 über den Vier-Quadranten-DCDC-Wandler 18 bis zu einem Spannungsniveau von 0 V, wobei der Hauptenergiespeicher 4 von zyklischen Belastungen solange freigestellt ist, wie die elektrische Energie im Nebenenergiespeicher 6 nutzbar ist.

Bezugszeichenliste

1 elektrische Anlage

2 Generator

4 Hauptenergiespeicher

6 kapazitiver Nebenenergiespeicher

8 Bordnetz

10 Verbraucher

12 Steuergerät

14 DCDC-Wandler