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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft die Stromversorgung in einem Kraftfahrzeug. Sind
in Kraftfahrzeugen wichtige oder sicherheitsrelevante elektrische
Verbraucher bzw. Funktionen vorgesehen, deren Ausfall oder Fehlfunktion
vom Fahrzeugnutzer als Störung
empfunden wird oder sogar sicherheitsrelevant ist, werden Maßnahmen
getroffen, um versorgungsbedingte Störungen zu vermeiden. So werden
bei sicherheitsrelevanten Vorrichtungen Pufferbatterien eingesetzt, die
von der Hauptbatterie gespeist werden und bei kurzem Stromausfall
der Hauptbatterie Energie an die sicherheitsrelevante Vorrichtung
liefern. Da zahlreiche sicherheitsrelevante Funktionen in Kraftfahrzeugen
auf einer elektronischen Steuerung basieren, beispielsweise elektronische
Bremsunterstützungsmechanismen,
Airbagsteuerungen, Antischlupfregelungen, Abstandswarner, usw. sowie
Komfortfunktionen wie Tempomat, Head-Up-Display, Navigationseinrichtungen
und Einparkhilfen, steigen mit jedem Verbraucher, der einen Energiepuffer
benötigt, der
Aufwand, die Kosten und der Bauraumbedarf.
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Die
Patentanmeldung
DE
10 248 679 A1 , die auf die Anmelderin zurückgeht,
offenbart ein Fahrzeugbordnetz mit Batteriezustandserkennung. Dieses
Fahrzeugbordnetz umfasst eine Steuereinheit, die den Batteriezustand
erkennt und die über
Busverbindungen mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeugs und
mit den Verbrauchern zum Datenaustausch in Verbindung steht. Die
Versorgungssicherheit hängt
von einer angeschlossenen Autobatterie ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht
die Gewährleistung der
Versorgungssicherheit bzw. der Versorgungsverfügbarkeit für wichtige elektrische Verbraucher
mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Komponenten, der Schaltungstechnik
und des Bauraums. Der erfindungsgemäße Stromverteiler stellt eine
zuverlässige Versorgung
von wichtigen und sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern
sicher. Ferner ermöglicht der
erfindungsgemäße Stromverteiler
eine skalierbare Versorgungssicherheit und Zuverlässigkeit.
Ferner sieht der erfin dungsgemäße Stromverteiler
die Versorgung von mehreren wichtigen oder sicherheitsrelevanten
Verbrauchern vor.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung werden eine oder vorzugsweise mehrere Quellen
an einen gemeinsamen Stromsammelpunkt angeschlossen. Es werden Sicherungen
vorgesehen, die die Quellen vor den Beeinträchtigungen durch den Stromsammelpunkts
schützen,
beispielsweise Verbraucherkurzschlüsse. Ferner sind Sicherungen
vorgesehen, die den Stromsammelpunkt vor Beeinträchtigungen durch die einzelnen
Quellen, Gruppen hiervon oder durch die Gesamtheit der Quellen schützen, beispielsweise
Kurzschluss einer oder mehrerer Quellen. In gleiche Weise sind ein
oder vorzugsweise mehrere Verbraucher an den Stromsammelpunkt angeschlossen,
die zum einen mittels Sicherungen vor Beeinträchtigungen durch Fehler am
Stromsammelpunkt geschützt
sind. Zum anderen ist der Stromsammelpunkt vor Beeinträchtigungen
durch Defekte eines oder mehrerer Verbraucher durch Sicherungsmaßnahmen
geschützt.
Die oben genannten Sicherungen und Sicherungsmaßnahmen umfassen vorzugsweise
Mittel zur Begrenzung des Stromflusses/der angelegten Spannung und/oder
Mittel zum temporären
oder endgültigen
Abwurf d.h. Trennung von defekten Einheiten (d.h. Verbraucher oder
Quellen) bei Überstrom
oder bei Überspannung.
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Der
erfindungsgemäße Stromverteiler
ist zur Versorgung eines KFZ-Bordnetzes ausgelegt und weist einen
Eingang, einen Ausgang und eine Stromverteilungssteuerung auf. Der
Ausgang ist eingerichtet, einen oder mehrere Verbraucher anzuschließen. Ferner
ist der Eingang eingerichtet, elektrische Leistung von mehreren
Energiequellen zu empfangen. Die Energiequellen sind, neben dem
Generator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie,
mehrere Energiespeicher, die elektrische Energie speichern und abgegeben
können.
Da der Stromverteiler elektrische Leistung von mehreren Energiequellen
empfängt,
ist er in der Lage, die angeschlossenen Verbraucher zu versorgen,
auch wenn eine der Energiequellen ausfällt.
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Die
Energiespeicher können
Blei-Akkumulatoren mit verschiedenen Kapazitäten sein, oder können Nickel-Cadmium-,
Nickel-Metallhydrid- oder Lithiumionenakkus sein, oder auch Kondensatoren
mit hoher Kapazität,
beispielsweise Gold-Caps oder Elektrolytkondensatoren. Ein wesentlicher
Aspekt der Erfindung liegt darin, dass nicht nur ein Energiespeicher
sondern mehrere an das Bordnetz angeschlossen sind, und dass jeder
Energiespeicher zur Versorgung aller, einer Gruppe oder eines bestimmten,
auswahlbaren Verbrauchers vorgesehen werden kann. Die entsprechende
Stromleitung wird durch den zentral eingesetzten Stromverteiler
durchgeführt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hierdurch erreicht, dass
alle Energiespeicher gleichermaßen
zum Betrieb des Bordnetzes verwendet werden können. Dadurch wird verhindert,
dass bei einer spezifischen, nicht änderbaren Zuordnung eines Energiespeichers
zu einem oder mehreren Verbrauchern, wie es aus dem Stand der Technik
bekannt ist, der Ausfall eines Energiespeichers mangels Umleitungsmöglichkeit über einen
zentralen Knoten zu einem Funktionsausfall einzelner oder bestimmter Gruppen
von Verbrauchern führt.
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Erfindungsgemäß weisen
die Energiequellen unterschiedliche Eigenschaften auf, die sich
beispielsweise auf den Kurzschlussstrom, die Kapazität, die Schnellladefähigkeit,
die Baugröße oder
die Beschaffenheit beziehen, wobei durch den gemeinsamen Anschluss
an den Stromverteiler diese als Energiespeicher arbeitenden Energiequellen
geeignet zusammengestellt werden können. Insbesondere ist die
Stromverteilungssteuerung innerhalb des Stromverteilers eingerichtet,
die Belastung der einzelnen Energiespeicher aufgrund deren Ladezustand
und verbleibender Kapazität
zur Versorgung der Verbraucher oder einer Verbrauchergruppe einzustellen.
Die Stromverteilungssteuerung ist eingerichtet, die Energiespeicher
mit einem höheren
Ladezustand in größerem Maße zur Versorgung
der Verbraucher heranzuziehen, als Energiespeicher, die einen geringen Ladezustand
aufweisen. Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Stromverteiler
einen Anschluss für
einen Generator, dessen gelieferte Leistung von der Stromverteilungssteuerung
an zu ladende Energiespeicher und/oder Verbraucher geleitet wird,
wobei Energiespeicher mit geringem Ladezustand einen höheren Leistungsanteil
erhalten als vollständig oder
größtenteils
geladene Energiespeicher.
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Gemäß einer
Ausführung
der Erfindung weist die Stromverteilungssteuerung eine Rückstromsicherungseinrichtung
auf, die den Stromfluss zwischen Energiequellen steuert. Beispielsweise
verhindert diese Rückstromsicherung
einen Umladeprozess von einer oder von mehreren Energiespeichern auf
andere Energiespeicher und ist ferner eingerichtet, den Stromfluss
von einem Generator oder einer anderen, externen Energiequelle an
nur einen Energiespeicher, an eine Gruppe von Energiespeichern oder
an alle Energiespeicher einzeln zu steuern. Die Rückstromsicherungseinrichtung
kann zum Verhindern der Entladung eines Energiespeichers in andere Energiespeicher
eine Diode umfassen, vorzugsweise eine Diode mit geringem Spannungsabfall
in Durchlassrichtung, beispielsweise eine Schottky-Diode.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung umfasst die Stromverteilungssteuerung eine Schutzeinrichtung,
die den Stromfluss an einen, an mehrere, an alle oder eine ausgewählte Gruppe von
Verbrauchern begrenzt. Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung
durch Verringern der Spannung oder des Stroms die an den bestimmten
Verbraucher gelieferte elektrische Leistung begrenzen. Alternativ kann
die Schutzeinrichtung den Stromfluss an die Verbraucher reversibel,
für eine
bestimmte Zeitdauer oder endgültig
un terbrechen, beispielsweise durch einen Sicherungsautomaten oder
eine Schmelzsicherung. Alternativ oder in Kombination hierzu kann die
Schutzeinrichtung Temperatursensoren umfassen, die abhängig von
der Temperatur der Zuleitungen oder der Verbraucher selbst diese
von der Versorgung nach einer gewissen Zeitdauer oder unmittelbar
nach Erreichen eines Temperaturschwellwerts abwirft. In einer bevorzugten
Ausführung
der Erfindung umfassen die Stromverteilungssteuerung und/oder die
Schutzeinrichtung Vorrichtungen zum Erfassen des Stromflusses an
die einzelnen Verbraucher, beispielsweise durch Einfügen eines
Shunt-Widerstands oder mittels Hall-Sensoren, die das magnetische
Feld messen, das von dem Stromfluss an die einzelnen Verbraucher
erzeugt wird. Vorzugsweise umfasst die Stromverteilungssteuerung
ferner Vorrichtungen zum Ermitteln des Ladungszustands und/oder
der aktuellen Kapazität
der einzelnen Energiespeicher oder einer Gruppe der Energiespeicher, um
den Versorgungsanteil, den die einzelnen Energiequellen und Energiespeicher
einer Gesamtleistung zu Verfügung
stellen, gemäß dem Ladezustand und
der Kapazität
der einzelnen Energiequellen aufzuteilen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird ferner
eine Einrichtung zur Messung der aktuellen Kapazität von Energiespeichern
vorgesehen, um die Belastung der Energiequellen geeignet steuern
zu können.
Der Anteil der einzelnen Energiequellen an der Gesamtversorgungsleistung
wird vorzugsweise über
Strom- und/oder Spannungsbegrenzungen, beispielsweise mittels Spannungsregler,
vorgesehen werden. Alternativ können
Zerhacker oder Wandler verwendet werden, die eine elektrische Ausgangsleistung
mit einstellbarer Spannung oder einstellbarem Strom liefern.
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In
einer weiteren Ausführung
umfasst der Stromverteiler eine Verbrauchersicherungseinrichtung,
die die Leistung begrenzt, die vom Ausgang an einen, einzelne, eine
Gruppe oder alle Verbraucher abgegeben wird. Der vom Ausgang an
die Verbraucher führende
Leistungsfluss wird durch Unterbrechung oder Begrenzung auf einen
Maximalstrom und/oder auf eine Maximalspannung beschränkt. Auch
hier können
Spannungsregler, Zerhacker, Wandler oder Ähnliches verwendet werden.
Alternativ oder in Kombination hierzu können Schmelzsicherungen oder
Sicherungsautomaten verwendet werden, die ab einem bestimmten Stromfluss
den Leistungsfluss an den Verbraucher unterbrechen. Alternativ oder
in Kombination hierzu können
Temperatursensoren verwendet werden, die den Leistungsfluss abhängig von
der Temperatur eines oder mehrerer Verbraucher drosseln, beschränken oder
unterbinden. Die Unterbrechung kann dauerhaft sein oder nur für eine bestimmte
Zeitdauer begrenzt sein. Vorzugsweise umfasst der Stromverteiler
und/oder die Verbrauchersicherungseinrichtung Stromsensoren, die die
nach außen
abgehende Leistung messen, beispielsweise mittels Shunt-Widerständen oder Hall-Sensoren,
die den Stromfluss aufgrund des erzeugten magnetischen Felds abtasten.
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Vorzugsweise
ist in dem erfindungsgemäßen Stromverteiler
eine Rücklaufsicherung
vorgesehen, die einen Stromfluss ausgehend vom Ausgang zum Eingang
hin unterbindet oder begrenzt. Ein solcher Leistungsfluss bzw. Stromfluss
kann entstehen, wenn als Verbraucher eine Vorrichtung verwendet wird,
die situationsabhängig
Strom erzeugen kann. Wird beispielsweise eine elektrische Maschine
als Verbraucher verwendet, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet
wird, so kann beim Rekuperieren, d.h. elektrischen Bremsen, elektrische
Energie gewonnen werden, die von der elektrischen Maschine in den
Stromverteiler fließt.
Umfasst der Stromverteiler eine Rücklaufsicherung, so wird dieser
Stromfluss von der elektrischen Maschine, die als Generator arbeitet,
zum Stromverteiler hin unterbunden. Umfasst der Stromverteiler einen
Rückspeisungsbegrenzer, so
wird der Leistungsanteil, der von der elektrischen Maschine aus
in den Stromverteiler fließt,
begrenzt. Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Stromverteiter eine Einrichtung,
um Anteile oder den gesamten Strom an einen oder an mehrere Energiespeicher
zu leiten, um die von der elektrischen Maschine erzeugte Energie
zu speichern. Gemäß einer Ausführung verhindert
eine Rücklaufsicherung
den Stromfluss in den Stromverteiler hinein, wobei eine Rückladevorrichtung
den Strom an den Stromverteiler vorbeileitet und einen oder mehrere
angeschlossene Energiespeicher lädt.
Vorzugsweise ist der Stromverteiler und/oder die Stromverteilungssteuerung
mit der Rückladeeinrichtung
verbunden, um den gesamten Stromfluss gemeinsam zu steuern, beispielsweise
ausgehend von der Stromverteilungssteuerung. Alternativ ist der
erfindungsgemäße Stromverteiler
eingerichtet, Anteile oder den gesamten Leistungsfluss, der vom
Ausgang stammt, aufzunehmen und entsprechend an einen oder an mehrere Energiespeicher
zu verteilen. In einer Ausführungsform
sieht der Stromverteiler einen Strompfad vor, der die von der elektrischen
Maschine stammende Leistung, die beispielsweise während des
Rekuperierens erzeugt wird, an einen Anlasser weiterleitet, der zum
Anlassen eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Dies ist insbesondere
bei Hybridantrieben vorteilhaft.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung umfasst der Stromverteiler
eine Sensoreinrichtung, die die einzelnen am Eingang und am Ausgang
fließenden
Leistungen sowie die zugehörigen
Flussrichtungen misst. Diese Sensoreinrichtungen können einzelne
Shunt-Widerstände und/oder
einzelne Hall-Sensoren sein. Ist eine Einrichtung zur Messung der
aktuellen Kapazität
von Energiespeichern vorgesehen, so ist diese vorzugsweise mit den
Shunt-Widerständen
und den Hall-Sensoren verbunden, um von dem fließenden Lade-/Entladestrom und der Quellenspannung
auf die Kapazität
schließen
zu können.
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In
einer Ausführung
umfasst die Sensoreinrichtung ferner Temperatursensoren, die die
Temperatur der Verbraucher und/oder der Energiequellen bzw. Energiespeicher
misst und so Rückschlüsse auf den
jeweiligen Energieverbrauch der Verbraucher oder der Belastung der
Energiequellen ermittelt. Vorzugsweise sind alle derartigen Sensoreinrichtungen mit
der Stromverteilungssteuerung verbunden, so dass diese ein Gesamtbild
der fließenden
Leistungen erstellen kann. Die Leistungen und die zugehörigen Flussrichtungen
werden kontinuierlich, periodisch oder ereignisabhängig erfasst
bzw. an die Stromverteilungssteuerung geliefert. Die ereignisabhängige Erfassung
umfasst das Messen einer Temperatur, die über einem Temperaturschwellwert
liegt, woraufhin eine Fehlfunktion oder ein bestimmter oder kritischer Betriebszustand
ermittelt werden kann. Aufgrund der erhöhten Temperatur wird dann die
Leistung gemessen, beispielsweise mittels eines Shunt-Widerstands, der
kurzgeschlossen ist, wenn die Temperatur unter einem Temperaturschwellwert
liegt und durch den Strom fließt,
wenn die Leistung gemessen werden soll. Die Überprüfung kann beispielsweise über einen Relais
oder einen Leistungstransistor erfolgen.
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Ferner
umfasst die Stromverteilungssteuerung vorzugsweise einen Speicher,
der einzelne oder alle gemessenen Leistungen für einen bestimmten Zeitraum
speichert, die von der Sensoreinrichtung und den Sensoren erfasst
wurde. Die Stromverteilungssteuerung kann aufgrund des zeitlichen
Verlaufs der Werte, d.h. der Temperaturwerte und/oder der Leistungsflusswerte
auf zu erwartende Ereignisse schließen. Beispielsweise ermittelt
die Stromverteilungssteuerung aufgrund der Werte im Speicher, dass
die Gesamtenergie bzw. die Energie einiger Energiespeicher unter
ein vorbestimmtes Niveau fällt und
dass eine weitere Verringerung dieser Energie zu erwarten ist. Dies
ist beispielsweise der Fall, wenn der angeschlossene Generator zu
wenig Strom erzeugt, so dass die Stromverteilungssteuerung die Notwendigkeit
ermittelt, einen Verbrennungsmotor innerhalb eines Hybridfahrzeugs
anzulassen, um weitere elektrische Energie zu erzeugen. Ferner ist der
erfindungsgemäße Stromverteiler
vorzugsweise mit dem Generator derart verbunden, dass beim Erfassen
eines solchen niedrigen Energiezustands der Energiespeicher die
Erregung des angeschlossenen Generators derart gesteuert wird, dass
die Abnahme der in den Energiespeichern vorliegende Energie verringert
wird bzw. die Energiespeicher aufgeladen werden können. Da
der erfindungsgemäße Stromverteiler
einen zentralen Knoten bzw. eine gemeinsame Stromschiene vorsieht,
ist die Erstellung eines derartigen Gesamtbildes möglich, auch
aufgrund von vergangenen Sensordaten, und erlaubt so eine optimale
Ansteuerung der angeschlossenen Verbraucher und der angeschlossenen
Energieerzeuger. Bei einer geringen Energiegesamtbilanz können einzelne,
weniger wichtige Verbraucher abgeworfen werden und gleichzeitig
können
die am Eingang angeschlossenen Energieerzeuger gesteuert werden,
um zum Ausgleichen der Energiebilanz mehr Leistung zu erzeugen.
Vorzugsweise erhalten alle oder ein Teil der Verbraucher und der
Energiequellen eine Priorität,
aufgrund der die Strombegrenzung bzw. der Abwurf von Verbrauchern
und das Aufladen bzw. der Versorgungsbeitrag der Energiequellen
gesteuert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigt
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die 1 einen
erfindungsgemäßen Stromverteiler
für ein
KFZ-Bordnetz.
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In
der 1 ist ein Stromverteiler 10 für ein KFZ-Bordnetz
mit einem Eingang 20 und einem Ausgang 30 dargestellt.
An den Eingang 20 sind drei Energiequellen 22a-c
angeschlossen. An dem Ausgang 30 sind vier Verbraucher 32a-d
angeschlossen. Der Eingang 20 ist mit dem Ausgang 30 über eine
Stromverteilungssteuerung 12 verbunden. Der Eingang 20 des
Stromverteilers ist über
Rückstromsicherungseinrichtungen 24a-c
und Schutzeinrichtungen 26a, b mit einer gemeinsamen Stromsammelschiene 40 verbunden.
Die Rückstromsicherungseinrichtung 24a-c
verhindert, dass eine Energiequelle 22a von den anderen
angeschlossenen Energiequellen 22b, c beeinflusst wird.
Eine derartige unerwünschte
Beeinflussung liegt vor, wenn beispielsweise die Energiequelle 22a nur
noch in geringem Maße
geladen ist, so dass eine Energiequelle mit einer höheren Spannung,
beispielsweise eine Energiequelle 22b, Strom an die Energiequelle 22a liefert.
Damit wird vermieden, dass eine nahezu entleerte Energiequelle Energie
aus den anderen Energiequellen entnimmt und dadurch weniger Energie
für die
Verbraucher 32a-d zur Verfügung steht. Vorzugsweise umfasst
die Rückstromsicherungseinrichtung
Dioden mit geringem Spannungsabfall, beispielsweise Schottky-Dioden.
Alternativ kann die Rückstromsicherungseinrichtung
ein Relais oder einen als Schalter arbeitenden Transistor verwenden,
wobei das Relais bzw. der Transistor den Stromfluss sperren, wenn
ein Stromfluss zu der Energiequelle hin ermittelt wird.
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Ferner
ist der Eingangsabschnitt der Stromverteilungssteuerung 12 durch
Schutzeinrichtungen 26a, b geschützt. Tritt so beispielsweise
an den Energiequellen 22a und 22b eine zu hohe
Spannung auf, so ist die Schutzeinrichtung 26a, b aktiv
und begrenzt die Spannung der Energiequellen 22a und b
auf einen Maximalwert. In der 1 weist
die Energiequelle 22c keine derartige Schutzeinrichtung
auf. Ist aufgrund der Eigenschaften der Energiequelle 22c davon
auszugehen, dass diese keine Überspannung produzieren
kann, so kann in diesem Fall auf die Schutzeinrichtung verzichtet
werden. Die Schutzeinrichtung 26a kann eine Zener-Diode
sein oder ein Spannungsregler, der auch bei erhöhter Eingangsspannung eine
geregelte bzw. begrenzte Ausgangsspannung liefert. Wenn eine Energiequelle 22a über einen
Wandler mit der gemeinsamen Stromschiene 40 verbunden ist,
so kann der Wandler derart gesteuert sein, dass er eine Schutzeinrichtung
gegen Überspannungen
sowie gleichzeitig die Funktion einer Rückstromsicherung vorsieht.
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Die
Energiequelle 22c ist über
einen Shunt-Widerstand 28 mit dem Eingangsabschnitt der Stromverteilungssteuerung 12 verbunden,
so dass der von der Energiequelle 22c abfließende Strom
gemessen werden kann. Daher kann eine alternative Schutzeinrichtung
vorgesehen werden, die den Stromfluss abhängig von dem an dem Shunt-Widerstand 28 gemessenen
Strom auf ein Maximum begrenzt. In gleicher Weise kann auch die
Spannung der Energiequelle 22c gemessen werden und als Steuersignal
für einen
Spannungsbegrenzer oder für eine
Trenneinrichtung vorgesehen werden. Alternativ oder in Kombination
hierzu kann an den Eingang 20 eine Schmelzsicherung oder
ein Sicherungsautomat vorgesehen sein, der bei Überstrom bzw. Überspannung
die angeschlossene Energiequelle abwirft.
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Nach
Durchlaufen der Rückstromsicherungseinrichtung 24a-c
und Schutzeinrichtung 26a, b werden die Leitungen zu einer
gemeinsamen Sammelschiene 40 zusammengeführt. In
einer bevorzugten, nicht dargestellten Ausführung ist zwischen der Rückstromsicherungseinrichtung 24a-c
bzw. Schutzeinrichtung 26a, b eine Stromsteuerung vorgesehen, die
abhängig
von elektrischen Eigenschaften der Energiequellen den Strom aus
den entsprechenden Energiequellen entnimmt. So kann beispielsweise
eingestellt werden, dass aus einer nahezu entladenen Energiequelle
weniger Strom entnommen wird als aus einer in stärkerem Maße geladenen Energiequelle,
auch wenn die kaum geladene Energiequelle die gleiche oder eine
höhere
Spannung aufweist. Ferner sind vorzugsweise Einrichtungen vorgesehen,
mit denen sich die Kapazität
der Energiequelle und der Ladungszustand erfassen lassen.
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Der
von den Energiequellen 22a-c vorgesehene Leistungsfluss
wird in der Sammelschiene 40 zusammengeführt. Der
Leistungsfluss wird ausgehend von der Sammelschiene 40 wieder
aufgeteilt, um den Verbrauchern 32a-d zugeführt zu werden. Die
Sammelschiene 40 weist daher einen Verteilerknoten 42 auf,
an dem Sicherungsmechanismen 31a-d angeschlossen sind,
die den Ausgang 30 und somit die einzelnen Verbraucher 32a-d
mit der Sammelschiene 40 verbinden. Jeder einzelne Verbraucher
bzw. Verbrauchergruppe ist über
einen Leitungsstrang mit dem Verteilerknoten 42 verbunden, sowie über einzelne
Sicherungsmaßnahmen 31-38. In
der 1 ist jeder einzelne Versorgungsstrang mit einer
Schmelzsicherung 31a-d ausgestattet, die im Falle des Überstroms
die jeweiligen Verbraucher bzw. die jeweilige Verbrauchergruppe
abwirft. Statt einer Schmelzsicherung kann auch ein Sicherungsautomat
verwendet werden. Alternativ oder in Kombination hierzu können Strombegrenzer
verwendet werden, die den Stromfluss bei Überstrom bzw. Überspannung
drosseln. Der in 1 dargestellte Stromverteiler 10 umfasst
daher eine Verbrauchersicherungseinrichtung 31a-d, 34a,
b, die ferner Überspannungsschutzeinrichtungen 34a,
b für einzelne
Verbraucherstränge
umfasst. Diese Mechanismen schützen
ferner den Stromverteiler und die angeschlossenen Energiequellen,
da auch Verbraucher angeschlossen sein können, die selbst Strom erzeugen,
beispielsweise eine elektrische Maschine.
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Wenn
eine als Verbraucher 32a angeschlossene elektrische Maschine
betriebsbedingt als Generator arbeitet, so begrenzen die Verbrauchersicherungseinrichtung 31-38 den
rückfließenden Strom. Der
rückfließende Strom
kann vollständig
unterbunden werden, beispielsweise durch Einschalten einer Rücklaufdiode.
Alternativ kann der rückfließende Strom
in seiner Stromstärke
durch Schmelzsicherung 31a-d, durch einen Regler 38 oder
durch Überspannungsschutzmaßnahmen 34a,
b in Form von Zener-Dioden begrenzt sein. Der vom Ausgang an den
Eingang rückfließende Strom
kann verwendet werden, um die Energiequellen 22a-c wieder
aufzuladen, beispielsweise durch Umwandlung mechanischer Energie
in elektrische Energie durch eine als Verbraucher 32a geschaltete
elektrische Maschine, die eine 22a oder alle 22a-c
Energiequellen auflädt.
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Daher
umfasst in einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäße Stromverteiler
Stromführungseinrichtungen,
die zwischen der Verbrauchersicherungseinrichtung und der Sammelschiene 40 vorgesehen
sind, und/oder die zwischen dem als Verbraucher geschalteten Generator 32a und
einer oder mehreren Energiequellen 22 a-c extern zu dem Stromverteiler
geschaltet sind. Derartige Rückaufladungsmechanismen
werden vorzugsweise von der Stromverteilungssteuerung 12 gesteuert,
da diese über
die Gesamt-Sammelschiene 40 und einer Anzahl von Stromsensoren 28, 39 die
Leistungsbilanz des KFZ-Bordnetzes ermitteln kann.
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In
einer weiter Ausführung
umfasst der Stromverteiler einen oder mehrere Spannungswandler,
die zwischen der Sammelschiene 40 und den Verbrauchern
vorgesehen sind, beispielsweise innerhalb der Sammelschiene 40 oder
in einem oder in mehreren Verbindungssträngen zwischen dem Verteilerknoten 42 und
den jeweiligen Verbrauchern 32a-d.
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In
dem in 1 dargestellten Stromverteiler ist der Verbraucher 32a mit
dem Stromverteilerknoten 42 über eine Schmelzsicherung 31a,
einer Überspannungssicherung
bzw. Zener-Diode 34a und einem Shunt-Widerstand 39 verbunden. Über die
an dem Shunt-Widerstand 39 abfallende
Spannung kann der an den Verbraucher 32a fließende Strom gemessen
werden. Auch die anderen Versorgungsstränge können einen solchen Shunt-Widerstand enthalten.
In einer Ausführung
umfasst die Sammelschiene 40 einen derartigen Shunt-Widerstand.
Der Verteilerknoten 42 ist über eine Schmelzsicherung 31b und
einer Rücklaufsicherung 36 mit
dem Verbraucher 32b verbunden. Die Rücklaufsicherung 36 verhindert
jeglichen Stromfluss von Verbraucher 32b zusammen mit Sammelschiene 40,
beispielsweise wenn der Verbraucher 32b eine elektrische
Maschine ist, die in gewissen Betriebszuständen als Generator arbeitet.
Der Verbraucher 32c ist mit dem Verteilerknoten 42 über eine
Schmelzsicherung 31c, einer Überspannungssicherung 34b und
einem Rückspeisungsbegrenzer 38 verbunden.
Im Gegensatz zur Rücklaufsicherung 36 begrenzt
der Rückspeisungsbegrenzer 38 den
Stromfluss ausgehend von dem Verbraucher 32c zu der Sammelschiene 40.
Daher kann als Verbraucher 32c auch eine elektrische Maschine
verwendet werden, die in bestimmten Betriebszuständen als Generator arbeitet,
wobei der Rückspeisungsbegrenzer
eine Überlastung
der Aufladefähigkeit
der Energiequellen verhindert. Gleichzeitig kann über den
Rückspeisungsbegrenzer 38 beispielsweise
eine der Energiequellen 22a, die einen Energiespeicher
umfasst, aufgeladen werden. Der Verbraucher 32d ist über eine
Schmelzsicherung 31d mit dem Verteilerknoten 42 verbunden,
wobei, wie die anderen Schmelzsicherungen auch, die Schmelzsicherung 31d den
Strom leitet und nicht begrenzt, soweit ein Schwellwert nicht überschritten wird.
Wird ein Stromschwellwert überschritten,
so unterbricht die Schmelzsicherung 31d die Verbindung dauerhaft
und irreversibel. Alternativ kann als Schmelzsicherung ein Sicherungsautomat
verwendet werden, der manuell, automatisch, gegebenenfalls nach
einer bestimmten Zeitdauer, die Verbindung wieder herstellt. An
dem Eingang 20 und dem Ausgang 30 können Steckverbindungen
oder andere elektrische Verbindungen vorgesehen werden, um die jeweiligen
Verbraucher bzw. Energiequellen mit dem Stromverteiler 10 elektrisch
zu verbinden.
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Im
Allgemeinen können
die einzelnen Verbraucher und einzelnen Energiequellen mit Prioritäten ausgestattet
sein, so dass eine Energiequelle mit hoher Priorität am ehesten
geschont wird und nur in bestimmten Fällen zur Energieversorgung
beitragen muss. In gleicher Weise können die Verbraucher derart
priorisiert sein, dass bei mangelhafter Stromversorgung andere Verbraucher
mit niedriger Priorität abgeworfen
werden bzw. in ihrem Stromfluss begrenzt werden, wobei der Verbraucher
mit hoher Priorität
auch bei mangelhafter Versorgungslage vollständig und kontinuierlich mit
Strom versorgt wird. Verbraucher mit hoher Priorität können X-by-Wire-Einrichtungen
sein, d.h. Einrichtungen, die zum grundlegenden Betrieb des Fahrzeugs
erforderlich sind und die bei Ausfall der Stromversorgung ausfallen.
Ein Verbraucher niedriger Priorität kann beispielsweise ein Unterhaltungsgerät sein,
beispielsweise eine Spielkonsole oder ein Videobildschirm, dessen
Ausfall zwar bemerkt wird, jedoch hinsichtlich der Fahrzeugsicherheit
eine untergeordnete Rolle spielt.
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Als
Energiequellen können
beispielsweise übliche
Autobatterien vorgesehen sein, die zur Stromversorgung dauerhaft
eingesetzt werden. Darüber
hinaus können
Verbraucher ange schlossen sein, die eine hohe Priorität aufweisen,
beispielsweise Backup-Energiequellen, die nur in Notsituationen aktiviert
werden und im Normalbetrieb geschont werden. Dies kann beispielsweise
eine Zweitbatterie, beispielsweise eine Lithiumionen-Batterie oder ähnliches
sein, die das Bremssystem oder das Airbagsystem nur dann mit Strom
versorgt, wenn die Versorgung durch die restlichen Energiequellen
nicht gewährleistet
ist. Bei der Aktivierung dieser Backup-Energiequellen mit hoher
Priorität
sollten gleichzeitig Verbraucher mit niedriger Priorität abgeworfen
werden, um die in der Energiequelle mit hoher Priorität gespeicherte
Energie für
die am meisten sicherheitsrelevanten Funktionen vorzusehen. Als
Backup-Energiequelle können
sowohl aufladbare Akkumulatoren als auch Einmal-Batterien verwendet
werden. Vorzugsweise werden hierfür Energiequellen eingesetzt,
deren Energiegehalt über
die Zeit nur geringfügig
abnimmt, beispielsweise durch interne Entladungsströme oder
durch alterungsbedingte chemische Reaktionen.
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Die
Energiequellen 22a-c können
Akkumulatoren oder Batterien mit verschiedenen Kapazitäten, Spannungen
und ähnlichem
sein, und können
zum Teil auch Wandler umfassen. Vorzugsweise liefern alle Energiequellen
an dem Anschluss 20 die gleiche Spannung, beispielsweise
12, 24 oder 48 Volt. Zudem kann als Energiequelle ein Generator
verwendet werden, der aus der Rotationsenergie eines Verbrennungsmotors
elektrische Energie erzeugt und somit das Bordnetz speist. Vorzugsweise
erfasst die Stromverteilungssteuerung 12 oder der Stromverteiler
alle einzelnen Stromflüsse
und ermittelt so ein Gesamtbild der Energiebilanz des KFZ-Bordnetzes. Dementsprechend
kann die Erregung des Generators erhöht werden, um die Energiebilanz
auszugleichen, da der Generator bei einer erhöhten Erregung mehr elektrische
Leistung liefert.
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Alternativ
oder in Kombination hierzu kann der Stromverteiler aufgrund der
Gesamt-Energiebilanz
ein Signal abgeben, das direkt oder in Abhängigkeit von weiteren Parametern
wie Geschwindigkeit, Tankfüllung
usw. dazu führt,
dass ein Verbrennungsmotor eines Hybridautos angelassen wird. Bei
ausgeschaltetem Verbrennungsmotor liefern die angeschlossenen Energiespeicher
die gesamte Energie für
das KFZ-Bordnetz. Im Gegensatz hierzu kann die elektrische Maschine,
die andernfalls die Energie zur Fortbewegung liefern muss, nur passiv
mitlaufen, während
der Verbrennungsmotor die gesamte mechanische Energie liefert, sowie
die elektrische Energie, die zum Betreiben des Bordnetzes notwendig
ist.
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Die
Zusammenführung
aller im KFZ vorliegenden Energiequellen bzw. Energiespeicher erlaubt die
balancierte und geregelte Beanspruchung der Energiespeicher und
eine entsprechende Regelung des Energieverbrauchs durch die Verbraucher.
Somit werden erfindungsgemäß alle zur
Verfügung
stehenden Energieressourcen verwendet, falls das KFZ-Bordnetz nicht
ausreichend Energie erhält.
In diesem Fall können
Verbraucher mit niedriger Priorität abgekoppelt werden, um die
Energiebilanz wieder auszugleichen und um den Betrieb sicherheitsrelevanter
Verbraucher mit hoher Priorität
mit elektrischer Energie zu versorgen.