Beschreibung
Bordnetz für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 1. Derartige Bordnetze dienen insbesondere zum Anschluß von Verbrauchern an bordnetzseitige Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, und bordnetzseitige Energieerzeuger, insbesondere einen mit der Kraftfahr- zeug-Verbrennungsmaschine koppelbaren Starter-Generator; falls auch Hochstrom-Verbrauchern an das Bordnetz angeschlossen sind, ist es zur Verlustminimierung zweckmäßig, zu deren Versorgung eine zweite, gegenüber einer ersten batterieseiti- gen Spannung erhöhte Spannung vorzusehen.
Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll mit möglichst geringem Aufwand hinsichtlich Hardware und Software eine zweite Bordnetzspannung zur Verfügung gestellt werden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein gemäß Pa- tentanspruch 1 aufgebautes Bordnetz; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Bordnetz erlaubt es, mit Hilfe der Schalt- bzw. Verbindungsvorrichtung mit nur einem Hochsetzsteller sowohl einerseits einen Start-Kondensator für den Starter-Generator mit einer entsprechend hohen Spannung aufzuladen bzw. das zweite Bordnetzteil aus der Batterie zu versorgen und andererseits im Generatorbetrieb des Starter- Generators unter Verwendung des dem Starter-Generator zugeordneten Umrichters das zweite Bordnetzteil durch entsprechende Regelung des Umrichters mit einer Spannung zu versorgen, die gegenüber der Batteriespannung erhöht und gegenüber der Spannung des Starter-Generators herabgesetzt ist. Zweck-
mäßigerweise wird im Generatorbetrieb der Start-Kondensator dann als Zwischenkreiskondensator eingesetzt.
Die elektrische Schalt- bzw. Verbindungsvorrichtung besteht in schaltungstechnisch besonders aufwandsarmer Weise aus einer ersten Verbindung von dem ersten Bordnetzteil zu dem dritten Bordnetzteil mit Sperrung in Gegenrichtung, weiterhin aus einer zweiten Verbindung von dem ersten Bordnetzteil zu dem zweiten Bordnetzteil mit Sperrung in Gegenrichtung und Einschaltung nur bei Speisung des zweiten Bordnetzteils aus dem ersten Bordnetzteil sowie aus einer dritten Verbindung von dem dritten Bordnetzteil zu dem zweiten Bordnetzteil mit Einschaltung nur bei Speisung des zweiten Bordnetzteils aus dem dritten Bordnetzteil vorgesehen; zweckmäßigerweise werden zur Sperrung in Gegenrichtung Dioden und zur Ein- bzw. Abschaltung der einzelnen schaltbaren Verbindungen je ein Tyri- stor bzw. Transistor, insbesondere IGBT, vorgesehen.
Mit geringem schaltungs- und steuerungstechnischen Zusatzauf- wand kann im Generatorbetrieb des Starter-Generators auch eine Nachladung der Batterie bzw. eine Versorgung des ersten Bordnetzteils aus dem Starter-Generator dadurch erreicht werden, daß der erste Bordnetzteil über einen Tiefsetzer mit dem zweiten Bordnetzteil verbunden ist; in diesem Fall erfolgt also ein Leistungsfluß vom Starter-Generator über den Umrichter mit Zwischenkreiskondensator über die Verbindung zwischen dem dritten Bordnetzteil und dem zweiten Bordnetzteil und die anschließende Verbindung von dem zweiten Bordnetzteil über den Tiefsetzer zu dem ersten Bordnetzteil. Als Zwischenkreis- Kondensator wird dabei zweckmäßigerweise der zum Starten des Starter-Generators vorgesehene Start-Kondensator benutzt.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Figur sche- matisch dargestellten Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit
einem batterieseitigen ersten Bordnetzteil, einem zweiten Bordnetzteils zur Versorgung von Verbrauchern, insbesondere Hochstrom-Verbrauchern, mit gegenüber der BattierSpannung erhöhter Spannung und einem dritten Bordnetzteil mit Anschluß an einen mit dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges koppelbaren Starter-Generator näher erläutert .
Das in der Figur dargestellte Bordnetz kann grundsätzlich aufgeteilt werden in einen ersten Bordnetzteil Ul mit einem Spannungsniveau von z.B. 12 Volt entsprechend der Spannung der Batterie B, in einen zweiten Bordnetzteil U2 zur Versorgung von Hochstrom-Verbrauchern mit einem Spannungsniveau von z.B. 180 Volt, in einen dritten Bordnetzteil U3 mit einem Spannungsniveau von z.B. 400 Volt zur Ladung eines Start-Kon- densators K zum Starten eines Verbrennungsmotors VB mittels eines über einen Umrichter U speisbaren Starter-Generators SG; der dritte Bordnetzteil U3 dient im Generatorbetrieb des Starter-Generators SG weiterhin dazu, dessen AusgangsSpannung mit einem über den Umrichter U eingeregelten Spannungsniveau von ca. 180 Volt an das Spannungsniveau des zweiten Bordnetzteils U2 anzupassen. Ein Regelungsteil dient zum energieoptimalen Betrieb der als Starter-Generator SG vorgesehenen Asynchronmaschine, vorzugsweise mit Käfigläufer.
Es besteht eine elektrische Schalt- bzw. Verbindungsvorrich- tung VI-V3 mit einer ersten Verbindung VI von dem ersten Bordnetzteil Ul zu dem dritten Bordnetzteil U3 mit Sperrung in Gegenrichtung sowie mit einer zweiten Verbindung V2 von dem ersten Bordnetzteil Ul zu dem zweiten Bordnetzteil U2 mit Einschaltung nur bei Speisung des zweiten Bordnetzteils U2 aus dem ersten Bordnetzteil Ul und mit einer dritten Verbindung V3 von dem dritten Bordnetzteil U3 zu dem zweiten Bordnetzteil U2 mit Einschaltung nur bei Speisung des zweiten Bordnetzteils U2 aus dem dritten Bordnetzteil U3.
Im Zuge der Startvorbereitung des Verbrennungsmotors VB über den dann als Asynchronmotor arbeitenden Starter-Generator SG wird, z.B. nach Betätigung des Zündschlüssels, mit Hilfe eines Hochsetzstellers HSST (DC-DC-Wandler) über die Verbindung VI ein Start-Kondensator K im dritten Bordnetzteil U3 aus der Batterie B auf eine Spannung von ca. 400 Volt aufgeladen. Schalter Sl bzw.S2 in der Verbindung V2 bzw.V3 sind während dieser Ladephase des Start-Kondensators K geöffnet. Durch eine Diode Dl in der Verbindung VI ist diese in Gegenrichtung zur Batterie B gesperrt.
Nach dem zuvor beschriebenen Aufladevorgang des Start-Kondensators K kann der zweite Bordnetzteil U2 durch Schließen des Schalters S2 in der Verbindung V2 mittels des Hochsetzstel- lers HSST auf die zweite Bordnetzspannung von z.B. 180 Volt gebracht und mit Energie aus der Batterie B versorgt werden. Die Diode Dl verbleibt dabei im gesperrten Zustand, da der Start-Kondensator K im Regelfall auf einem gegenüber dem Spannungsniveau des zweiten Bordnetzteils U2 erhöhten Span- nungsniveau liegt.
Beim eigentlichen Startvorgang kann der Verbrennungsmotor VB mit Hilfe des Asynchronmotors des Starter-Generators SG auf eine Drehzahl von ca. 400-700 U/min hochgefahren werden; im Falle einer elektronischen Ventilsteuerung sind die Ventile zweckmäßigerweise während des Hochfahrens voll geöffnet und damit kompressionslos gestellt. Sobald der Verbrennungsmotor VB eine vorgesehene Drehzahl bzw. den erforderlichen Drehwinkel seiner Kurbelwelle erreicht hat, kann der Verbrennungsmo- tor VB bei normaler Ventilstellung gezündet und der Starter- Generator SG antriebsseitig abgeschaltet werden. Falls beim Startvorgang die im Start-Kondensator K vorgespeicherte Energie nicht ausreicht, kann für den Fall, daß das Spannungsniveau des dritten Bordnetzteils U3 kleiner ist als das Span- nungsniveau des zweiten Bordnetzteils U2 , zusätzlich Energie
aus der Batterie B über den Hochsetzsteller HSST und die Verbindung VI für den über den Umrichter U gespeisten Starter- Generator SG bezogen werden.
Nach dem Zündvorgang des Verbrennungsmotors VB kann der Starter-Generator SG in den Generatorbetrieb übergehen. Dabei wird das Spannungsniveau des dritten Bordnetzteils U3 als ZwischenkreisSpannung über den Umrichter U und den zweckmäßigerweise als Zwischenkreiskondensator benutzten Start-Konden- sator K auf das Spannungsniveau des zweiten Bordnetzteils U2 , von z.B. auf 180 Volt, geregelt. Nach Erreichen des Spannungsniveaus des Bordnetzteils U2 wird der Schalter S2 geöffnet und somit die Verbindung V2 unterbrochen und der Schalter Sl geschlossen und somit die Verbindung V3 vom Bordnetzteil U3 zum Bordnetzteil U2 hergestellt; der Hochsetzsteller HSST wird zweckmäßigerweise außer Betrieb gesetzt. Der Starter-Generator SG arbeitet nunmehr im Generatorbetrieb und versorgt über die geregelte Zwischenkreisspannung des Bordnetzteils U3 das Bordnetzteil U2 und die daran angeschlossenen Hochstrom- Verbraucher .
Über eine nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene weitere vierte Verbindung V4 ist der zweite Bordnetzteil U2 über einen Tiefsetzsteiler TSST (DC-DC-Wandler) mit dem er- sten Bordnetzteil Ul derart verbindbar, daß im Generatorbetrieb des Starter-Generators SG die Batterie B mit einer über den Tiefsetzsteller TSST auf ihr Spannungsniveau herabgesetzten Spannung nachgeladen und die Verbraucher dieses Spannungsniveaus versorgt werden können.
Um im Generatorbetrieb des Spannungsgenerators SG mit möglichst großem Wirkunggrad und somit mit möglichst geringer Belastung der Energiespeicher bzw. Energieversorger arbeiten zu können, sind die elektrischen Verluste sowohl im Umrichter U als auch in der für den Starter-Generator SG vorgesehenen
Asynchronmaschine in vorteilhafter Weise dadurch gering gehalten, daß in einer feldorientierten Regelung FOR das innere Moment Mu der Asynchronmaschine des Starter-Generators SG nach dem Prinzip der verlustoptimalen Steuerung bzw. Regelung des Rotorflußes durch entsprechende Adaptierung des Magneti- sierungsstromes i ' μ in Abhängigkeit von einem entsprechend dem jeweils geforderten Antriebsdrehmoment ermittelten Wirk- strom isq eingestellt wird.
Die feldorientierte bzw. rotorflußorientierte Vektorstromregelung einer Asynchronmaschine ist an sich, z.B. durch das Buch "Steuerverfahren für Drehstrommaschinen" von H. Späth, Springer-Verlag, 1983, bekannt.
Die feldorientierte Steuerung der Asynchronmaschine geht von der mathematischen Beschreibung des dynamischen Maschinenverhaltens mit Raumzeigergrößen aus. Feldorientierung bedeutet, daß man die frei wählbare Bezugsachse dieses mathematischen Maschinenmodells bezüglich ihrer Winkellage fest mit dem Ro- torflußraumzeiger, dem Statorflußraumzeiger oder dem Luft- spaltflußraumzeiger verbindet. Die mathematisch einfachste Maschinenstruktur und damit auch die einfachste Struktur einer Steuerung ergeben sich dann, wenn der Rotorflußraumzeiger als Orientierungsgröße gewählt wird. Die Struktur der Maschi- ne gleicht dann bei Vorgabe des Ständerstromraumzeigers der einer fremderregten kompensierten Gleichstrommaschine. Die feldorientierte Steuerung der Asynchronmaschine wird dadurch erreicht, daß man die im feldorientierten Koordinatensystem dargestellten Komponenten des Statorstromzeigers der Maschine als Steuer- bzw. Regelgrößen vorgibt. Mittels einer einfachen
Entkopplung werden der Betrag des Flußraumzeigers und das innere Drehmoment unabhängig voneinander steuerbar.
Das innere Drehmoment u ist dann ähnlich wie bei der Regelung einer Gleichstrommaschine bestimmt aus dem Produkt von Wirkstrom isq und adaptiertem Magnetisierungsstrom i'u
Mn = Kλ - isq - iμ
Die Verluste einer Asynchronmaschine können wie folgt angege- gen werden:
"v ~ "vcu + P V. Fc
RS = Statorwiderstand RR' = Auf den Stator umgerechneter Rotorwiderstand
Rfe = Eisenverlustwiderstand h = Faktor für Hystereseverluste
1-h = Faktor für Wirbelstromverluste fs = Statorfrequenz fSn = Statornennfrequenz
Der im Sinne eines geringsten Verlustes optimale Magnetisierungsstrom ergibt sich daraus nach folgenden Beziehungen:
Zur Definition eines für das jeweilige innere Moment Mu maß- geblichen Wirkstrom isq wird von der Differenz zwischen dem Istwertes u iSt der ZwischenkreisSpannung gemäß dem Spannungsniveau des zweiten Bordnetzteiles U2 einerseits und dem Sollwert u2 son dieser ZwischenkreisSpannung ausgegangen und in einem PI-Bildner der entsprechende Wirkstrom isq defi- niert. Entsprechend dem jeweils geforderten Wirkstrom isq wird gemäß den vorgenanntem Formeln nach dem Prinzip der verlustoptimalen feldorientierten Regelung unter Berücksichtigung der jweiligen Statorfrequenz fs in einem Frequenzadapter
FA der entsprechende Magnetisierungsstrom i ' bestimmt und über die felderorientierte Regelung FOR der Umrichter U bzw. die Asynchronmaschine des Starter-Generators SG angesteuert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Magnetisierungsstrom iμ' in vorteilhafter Weise zusätzlich in Abhängigkeit von einen Begrenzer B gestellt, derart daß der Magnetisierungsstrom bei höherer Drehzahl, insbesondere zur Verhinderung einer thermischen Überlastung bzw. im Sinne eines Feldschwächbetriebes, begrenzbar ist.