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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Steuervorrichtung
für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Startergenerator
oder einen Starter, für eine Brennkraftmaschine in einem
Kraftfahrzeug, mit einer Steuerung und einer Schaltungsanordnung
mit einem Pulswechselrichter.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Betriebsverfahren für
eine elektronische Steuervorrichtung, insbesondere auf die zuvor
genannte, für eine elektrische Maschine, insbesondere einen
Startergenerator oder einen Starter, für eine Brennkraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug, mit einer Steuerung und einer Schaltungsanordnung
mit einem Pulswechselrichter.
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Beim
Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug werden hohe
Leistungen und insbesondere hohe Ströme, die 1000 Ampere
oder mehr betragen können, für einen Startermotor
benötigt. Diese Ströme werden bei konventionellen
Bordnetztopologien aus einer Batterie gespeist. Dabei verursachen
hohe Spitzenströme ein hohes impulsförmiges Anlaufmoment
des Startermotors, also auch eine hohe mechanische Beanspruchung
und einen starken Einbruch der Spannung im Bordnetz.
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Es
ist bekannt, einen Startergenerator für die Brennkraftmaschine
einzusetzen, und zwar unter anderem auch für einen Warmstart
in einem Start-Stopp-System, wobei solche Startergeneratoren für
ein 14 V-Bordnetz ausgelegt sind. Ein Startergenerator dient sowohl
als Startermotor als auch als elektrischer Generator in dem Kraftfahrzeug.
Unter Umständen ist für einen Kaltstart ein zusätzlicher
herkömmlicher Anlasser vorgesehen. Bei einem generatorischen,
durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Betrieb des Startergenerators
wird das Bordnetz von dem Startergenerator mit elektrischer Leistung versorgt
und insbesondere auch die Batterie geladen.
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Für
einen Betrieb des Startergenerators in dem Kraftfahrzeug ist eine
Elektronik, beispielsweise ein Pulswechselrichter mit Leistungsschaltern,
meist Halbleiterbauelemente, nötig, wobei der Pulswechselrichter,
insbesondere die Leistungsschalter, mit einer Steuerung angesteuert
werden.
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Die
DE 103 30 703 A1 beschreibt
einen Generator, der neben einer elektrischen Maschine auch einen
Regler und einen Pulswechselrichter umfasst, und an dessen Ausgang
zusätzlich ein DC/DC-Wandler angeschlossen wird, um eine
gewünschte Nennspannung, beispielsweise 14 V, für den
Betrieb von Verbrauchern an dem Bordnetz zu erzeugen. Außerdem
wird an das Bordnetz noch ein Steuergerät zur Ansteuerung
des Pulswechselrichters angeschlossen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Steuervorrichtung
und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art weiterzubilden,
um einen Material-, Bauteil- und Montageaufwand zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1
und 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche
definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Es
ist ein Gedanke der Erfindung, dass die Steuervorrichtung einen
Pulswechselrichter, eine dazugehörige Steuerung und einen
DC/DC-Wandler in einer baulichen Einheit umfasst. So können
in einer vorteilhaften Schaltungstopologie unterschiedliche funktionale
Gruppen als bauliche Einheit zusammengefasst werden. Ferner wird
die Aufgabe durch ein Betriebsverfahren für eine, vorzugsweise
die zuvor genannte, Steuervorrichtung gelöst, bei dem sowohl der
Pulswechselrichter als auch der DC/DC-Wandler von der Steuerung
angesteuert werden, sodass nur eine einzige Steuerung zur Ansteuerung
zumindest zweier funktionaler Gruppen, nämlich des Pulswechselrichters
und des DC/DC-Wandlers benötigt wird. Sowohl mit der Steuervorrichtung
als auch mit dem Betriebsverfahren lässt sich der Material-,
Bauteil- und/oder Montageaufwand sowie das Gewicht der Steuervorrichtung
reduzieren.
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Insbesondere
lässt sich mit der baulichen Einheit der Pulswechselrichter,
die dazugehörige Steuerung und der DC/DC-Wandler als ein
Modul, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, ausbilden.
Der Material- und Herstellungsaufwand ist somit reduziert und die
Steuervorrichtung lässt sich seinerseits einfach montieren.
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Es
ist bevorzugt, dass der Pulswechselrichter und der DC/DC-Wandler
mit einer gemeinsamen Schaltungsanordnung realisiert sind, beispielsweise in
einer Ausführungsform mit miteinander verbundenen Platinen
mit elektronischen Bauelementen oder vorzugsweise mit einer Platine,
die, jeweils zumindest teilweise, den Pulswechselrichter und den DC/DC-Wandler
umfasst. So wird der Material- und Herstellungsaufwand und das Gewicht
der Steuervorrichtung reduziert.
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Die
elektronische Steuervorrichtung wird insbesondere zum Betreiben
eines Starters, eines Generators und/oder, in besonders bevorzugter
Weise, eines Startergenerators für eine Brennkraftmaschine in
einem Kraftfahrzeug verwendet. Besonders bei Kraftfahrzeugen ist
eine Steuervorrichtung von kompakter Bauweise, die unterschiedliche
funktionale Gruppen in einer baulichen Einheit umfasst, vorteilhaft,
um durch einen reduzierten Material- und Bauteilaufwand Gewicht
zu sparen oder auch den Montageaufwand bei einer Montage oder bei
Wartungsarbeiten des Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Ferner ergibt
sich eine Bauraumreduktion.
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Nachfolgend
werden verschiedene Wandlungsarten und -richtungen des DC/DC-Wandlers dargestellt,
die jeweils alleine oder in beliebigen Kombinationen als Ausführungsform
bevorzugt sind, wobei weitere Vorteile, insbesondere in Verbindung mit
einem Leistungsspeicher, später genannt werden.
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Mit
dem DC/DC-Wandler kann eine Gleichspannung eines Bordnetzes des
Kraftfahrzeuges zu einer weiteren Gleichspannung gewandelt werden. So
kann der Pulswechselrichter bei einer Spannung über einer
Bordnetzspannung betrieben werden, beispielsweise um einen Wirkungsgrad
zu erhöhen oder auch gleichzeitig das Bordnetz über
den DC/DC-Wandler mit elektrischer Leistung zu versorgen, und zwar
bei einer gegenüber dem Pulswechselrichter reduzierten
Bordnetzspannung, beispielsweise bei etwa 14 V.
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Mit
dem DC/DC-Wandler kann eine Gleichspannung von dem Bordnetz zu einer
weiteren Gleichspannung gewandelt werden, um aus der Bordnetzspannung
eine von der Bordnetzspannung verschiedene Spannung zu erzeugen,
die auch zur Leistungsversorgung weiterer Komponenten der Steuervorrichtung,
insbesondere der Schaltungsanordnung, oder auch des Kraftfahrzeuges,
also außerhalb der Steuervorrichtung, genutzt werden kann.
So wird eine zusätzliche Funktionalität in die
elektronische Steuervorrichtung integriert und dabei der Material-,
Bauteil- oder Montageaufwand reduziert.
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Außerdem
kann mit dem DC/DC-Wandler eine Gleichspannung zu einer Gleichspannung
des Bordnetzes gewandelt werden. So kann das Bordnetz aus einer
Gleichspannungsquelle gespeist werden, die eine von der Bordnetzspannung
verschiedene Spannung liefert, womit eine weitere Funktionalität
in der baulichen Einheit der elektronischen Steuervorrichtung integriert
ist.
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Vorzugsweise
wird mit dem DC/DC-Wandler eine Gleichspannung tiefgesetzt. So lässt
sich beispielsweise der Startergenerator für einen höheren Wirkungsgrad
mit einer gegenüber der Bordnetzspannung erhöhten
Spannung betreiben und die aus dem Startergenerator gewonnene Gleichspannung auf
eine geeignete Bordnetzspannung tiefsetzen.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass mit dem DC/DC-Wandler eine Gleichspannung hochgesetzt wird.
Dabei lässt sich sowohl eine unter der Bordnetzspannung
liegende Spannung auf die Bordnetzspannung hochsetzen, etwa um das
Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen, als auch die Bordnetzspannung
zu einer weiteren, höheren Gleichspannung hochsetzen, beispielsweise
um einen Hochspannungsverbraucher zu betreiben, einen Wirkungsgrad
zu erhöhen oder Leitungsverluste zu reduzieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung
zumindest eine elektronische Vorrichtung, insbesondere die Steuerung,
die sowohl mit dem Pulswechselrichter als auch mit dem DC/DC-Wandler
arbeitet. So wird eine Mehrfachnutzung der Vorrichtung ermöglicht,
so dass sich der Material-, Bauteil- und/oder Montageaufwand und
somit auch das Gewicht reduziert.
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Ferner
ist bevorzugt, dass ein Leistungsschalter, insbesondere ein Transistor,
beispielsweise ein MOSFET sowohl Bestandteil des Pulswechselrichters
als auch des DC/DC-Wandlers ist. Durch Verringern der Anzahl der
benötigten Leistungsschalter lassen sich die Herstellungskosten
der Steuervorrichtung reduzieren oder auch der Montageaufwand verringern,
da bei Leistungsschaltern besondere Maßnahmen zur Wärmeabfuhr
getroffen werden müssen.
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Vorzugsweise
umfasst die Schaltungsanordnung eine Schaltvorrichtung, insbesondere
einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen MOSFET, für
einen elektronischen Leistungsspeicher. So lässt sich der
Leistungsspeicher bei Bedarf mit der Steuervorrichtung verbinden
oder auch trennen, beispielsweise um Energie aus dem Leistungsspeicher zu
entnehmen oder um diesen aufzuladen. Außerdem kann ein
Entleeren einer Batterie an dem Bordnetz, insbesondere bei einem
Stillstand des Kraftfahrzeugs, durch Leckströme des Leistungsspeichers
durch die Schaltvorrichtung verhindert werden. Ferner ist ein defekter
Leistungsspeicher abtrennbar. So übernimmt die Steuervorrichtung
eine zusätzliche Funktionalität, nämlich
den Energiefluss von oder zu dem Leistungsspeicher zu steuern.
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Der
Leistungsspeicher umfasst vorzugsweise einen Doppelschichtkondensator.
Doppelschichtkondensatoren eignen sich, kurzfristig Energie aufzunehmen
oder auch abzugeben, so dass sie auch bei Start-Stopp-Systemen in
einem Kraftfahrzeug vorteilhaft verwendbar sind, beispielsweise
indem das Bordnetz oder die elektrische Maschine, insbesondere der
Startergenerator oder der Starter, beim Starten der Brennkraftmaschine
mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Durch
entsprechendes Ansteuern mit der Steuervorrichtung kann der Leistungsspeicher und/oder
die Bordnetzbatterie zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine,
einem sogenannten aktiven Boosten, eingesetzt werden, wobei dem Kraftfahrzeug
zusätzliche Bewegungsenergie mit der elektrischen Maschine
zugeführt wird, die den Antrieb der Brennkraftmaschine
unterstützt, beispielsweise indem der mit der Brennkraftmaschine
gekoppelte Startergenerator oder Starter als Motor mit elektrischer
Energie aus dem Leistungsspeicher beziehungsweise aus der Batterie
angetrieben wird.
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Ferner
kann mit der Steuervorrichtung auch ein sogenanntes passives Boosten
realisiert werden, indem beim Betrieb der Brennkraftmaschine eine
von der Brennkraftmaschine angetriebene elektrische Maschine, insbesondere
der Startergenerator, als Generator deaktiviert, also diesem keine
elektrische Energie entnommen, wird. So wird der zum Antrieb des
Kraftfahrzeuges zur Verfügung stehende Anteil der von der
Brennkraftmaschine erzeugten Bewegungsenergie erhöht. Vorzugsweise
wird während dieser Phase das Bordnetz mit elektrischen
Verbrauchern aus dem Leistungsspeicher und/oder der herkömmlichen
Batterie gespeist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung
der Steuervorrichtung in der baulichen Einheit auch den Leistungsspeicher,
insbesondere zumindest einen Doppelschichtkondensator. So lässt
sich eine Leistungsspeicherfunktionalität in der Steuervorrichtung
kompakt und/oder gewichtssparend integrieren und insbesondere auch
der Montageaufwand reduzieren.
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Vorzugsweise
wird bei einer Rekuperation Energie in den Leistungsspeicher und/oder
in die Batterie gespeichert. So kann beispielsweise bei einem Abbremsen
eines Kraftfahrzeuges Bewegungsenergie mittels der elektrischen
Maschine, insbesondere des Startergenerators, in elektrische Energie umgewandelt
und in dem Leistungsspeicher, vorzugsweise dem Doppelschichtkondensator,
gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann dann in das Bordnetz
für elektrische Verbraucher eingespeist werden oder auch
der elektrischen Maschine, insbesondere einem Starter oder einem
Startergenerator, zugeführt werden, beispielsweise zum
Starten der Brennkraftmaschine bei einem Start-Stopp-System oder
auch zur Leistungsunterstützung der Brennkraftmaschine
bei einem Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeugs.
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Es
ist bevorzugt, dass bei einer Rekuperation eine Ausgangsspannung
am Pulswechselrichter hochgesetzt wird, um den Leistungsspeicher,
insbesondere den Doppelschichtkondensator, möglichst effektiv
zu laden. Ferner ist bevorzugt, dass dabei außerdem das
Bordnetz über den DC/DC-Wandler mit Energie versorgt wird,
insbesondere indem die hochgesetzte Ausgangsspannung am Pulswechselrichter auf
eine niedrigere Bordnetzspannung, beispielsweise 14 V oder 28 V,
tiefgesetzt wird. So lässt sich der Wirkungsgrad beim Laden
des Leistungsspeichers durch eine Spannungserhöhung gegenüber
dem Bordnetz steigern, und es lassen sich weiterhin elektrische
Verbraucher auf dem Bordnetzspannungsniveau bestromen.
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Ferner
ist bevorzugt, dass eine Gleichspannung des Leistungsspeichers zu
der Gleichspannung des Bordnetzes hochgesetzt wird, um den Leistungsspeicher
unter Bordnetzspannung zu entladen, insbesondere um während
der Rekuperation mehr Energie in dem Leistungsspeicher zu speichern.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische
Maschine, der Leistungsspeicher und/oder auch der Pulswechselrichter
bei einer gegenüber der Bordnetzspannung erhöhten
Spannung betrieben, und zwar vorzugsweise bei etwa der doppelten,
der dreifachen oder auch der vierfachen Bordnetzspannung, indem
mit dem DC/DC-Wandler die Gleichspannung des, insbesondere von der
Batterie gespeisten, Bordnetzes zu der erhöhten Spannung
gewandelt, also hochgesetzt, wird. So wird der Wirkungsgrad der
elektrischen Maschine und/oder auch des Leistungsspeichers erhöht,
und beispielsweise kann ein Startvorgang erleichtert werden, indem
der Startergenerator oder der Starter mit der erhöhten
Spannung betrieben wird.
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Für
eine Spannungswandlung kann die Steuervorrichtung eine Mehrzahl
von parallel geschalteten DC/DC-Wandlern umfassen, die jeweils auch
als eine Phase bezeichnet werden können, um bei einem zu
wandelnden Gesamtstrom eine Strombelastung eines einzelnen DC/DC-Wandlers
zu reduzieren. Somit können DC/DC-Wandler mit kleineren Leistungsschaltern
und kleineren Induktivitäten eingesetzt werden, denn eine
zunehmende Strombelastung erfordert eine überproportionale
Dimensionierung der Bauelemente, da die Strombelastung bei einer
Veränderung des Stroms im Quadrat sich erhöht oder
senkt. So lassen sich Herstellungskosten und Gewicht der Steuervorrichtung
reduzieren.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Schaltungsanordnung eine Überbrückungsschaltvorrichtung
zum Überbrücken des DC/DC-Wandlers. Die Überbrückungsschaltvorrichtung
kann ein Halbleiterschalter oder ein Relais sein und wird vorzugsweise
geschlossen, wenn der Pulswechselrichter auf Bordnetzspannungsniveau ist,
so dass durch die Überbrückung elektrische Verluste über
dem DC/DC-Wandler reduziert werden, da in diesem Fall keine Spannungswandlung
mit dem DC/DC-Wandler notwendig ist.
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Es
ist bevorzugt, dass, insbesondere mit dem Pulswechselrichter, ein
Betriebsstrom, insbesondere ein Wechselstrom, der elektrischen Maschine,
insbesondere bei einem Betrieb als Startermotor der Brennkraftmaschine,
begrenzt wird, und zwar beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine
oder auch bei einem Warmstart, insbesondere bei einem Start-Stopp-System.
Dabei dient die elektrische Maschine als Motor zum Antreiben der
Brennkraftmaschine bei einem Startvorgang. Durch die Strombegrenzung
wird die Gefahr eines Spannungseinbruchs im Bordnetz reduziert und
Störungen bei der elektrischen Versorgung von Bordnetzverbrauchern
verringert.
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Außerdem
ist bevorzugt, dass, falls für den Kaltstart der Brennkraftmaschine
zusätzlich zu einem Startergenerator ein Starter, insbesondere
ein herkömmlicher Anlasser, benötigt wird, der
Starter über den Pulswechselrichter, insbesondere mit einem Gleichstrom,
getaktet angesteuert wird, um den Anlaufstrom des zusätzlichen
Starters zu begrenzen. Dabei ist sicherzustellen, dass der Startergenerator beim
Andrehen des Motors, insbesondere mit dem zusätzlichen
Starter, keine elektrische Energie in den Pulswechselrichter einspeist,
und zwar indem beispielsweise ein Erregerstrom des Startergenerators zu
Null gesetzt wird. So wird der Bauteilaufwand reduziert, indem die
Steuervorrichtung sowohl den Startergenerator als auch den zusätzlichen
Starter insbesondere getaktet ansteuert. Dabei erfolgt vorzugsweise
ein Warmstart bei einem Start-Stopp-System mit dem Startergenerator,
also ohne zusätzlichen Starter, über den Pulswechselrichter.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird mit der elektrischen
Maschine eine weitere, von der Brennkraftmaschine verschiedene,
mechanische Komponente des Kraftfahrzeugs angetrieben. Insbesondere
bei einem Start-Stopp-System kann so zumindest ein Aggregat des
Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Kompressor einer Klimaanlage,
mechanisch angetrieben werden, falls die Brennkraftmaschine gestoppt
ist.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schaltplan eines Stromnetzes in einem Kraftfahrzeug,
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2 einen
schematischen Schaltplan einer Steuervorrichtung mit einem DC/DC-Wandler,
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3 einen
schematischen Schaltplan einer weiteren Steuervorrichtung mit einem
DC/DC-Wandler,
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4 einen
schematischen Schaltplan einer weiteren Steuervorrichtung mit einem
weiteren DC/DC-Wandler,
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5 einen
schematischen Schaltplan einer weiteren Steuervorrichtung mit einem
DC/DC-Wandler,
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6 einen
schematischen Schaltplan einer weiteren Steuervorrichtung mit einem
DC/DC-Wandler und
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7 einen
schematischen Schaltplan einer weiteren Steuervorrichtung mit einem
DC/D-Wandler.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 zeigt
einen schematischen Schaltplan eines elektrischen Netzes in einem
Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße elektronische Steuervorrichtung 1 und
einen Startergenerator 2 als elektrische Maschine sowie
ein Bordnetz 8 mit einer Bordnetzspannung von etwa 14 V
umfasst. An das Bordnetz 8 sind Bordnetzverbraucher 9,
eine Batterie 7 und optional ein herkömmlicher
Anlasser 10 angeschlossen.
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Die
elektronische Steuervorrichtung 1 umfasst eine Steuerung 3 und
in einer Schaltungsanordnung 4 einen Pulswechselrichter 5 und
einen DC/DC-Wandler 6, die als eine bauliche Einheit in
einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die Steuerung 3 steuert
sowohl den Pulswechselrichter 5 als auch den DC/DC-Wandler 6 an,
wobei der Pulswechselrichter 5 und der DC/DC-Wandler 6 im
Wesentlichen aus elektronischen Bauelementen, die auf einer Platine
angeordnet sind, realisiert sind. Die Steuervorrichtung 1 ist
also funktional als autarkes Modul im Einsatz.
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Das
Kraftfahrzeug weist ein Start-Stopp-System mit einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine auf, wobei bei einem Warmstart die Brennkraftmaschine
mit dem betriebenen Startergenerator 2 gestartet wird,
indem der Startergenerator 2 als elektrischer Motor durch
den Pulswechselrichter mit einem Wechselstrom angesteuert wird.
Der mit Gleichstrom betriebene Anlasser 10 wird, sofern
vorhanden, für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine verwendet. Alternativ
kann das Kraftfahrzeug auch ohne den optionalen Anlasser 10 ausgebildet
sein, wobei dann bei einem Kaltstart die Brennkraftmaschine mit
dem Startergenerator 2 gestartet wird.
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Die 2 bis 7 zeigen
jeweils eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 1,
die mit dem Startergenerator 2, der Batterie 7,
einem Leistungsspeicher 15 und dem Bordnetz 8 mit
Bordnetzverbrauchern 9 und gegebenenfalls mit dem über
einen Schalter 51 schaltbaren, herkömmlichen Anlasser 10 elektrisch
verbunden ist. Der Anlasser 10 der 2 bis 4 wird
jeweils über den Pulswechselrichter 5 getaktet
angesteuert, während der Anlasser 10 der 5 bis 7 unmittelbar über
den Schalter 51 durch die Batterie 7 bestromt
wird.
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Dabei
sind in den nachfolgend beschriebenen Steuervorrichtungen 1 jeweils
zumindest ein Pulswechselrichter 5, ein DC/DC-Wandler 6,
eine Überbrückungsschaltvorrichtung 13 und
eine Schaltvorrichtung 14 für den Leistungsspeicher 15 in
einer baulichen Einheit als Schaltungsanordnung 4 zusammengefasst.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen ist der Leistungsspeicher 15 jeweils
als Doppelschichtkondensator ausgebildet, und ferner ist die Batterie 7 über das
Bordnetz 8 mit den Bordnetzverbrauchern 9 verbunden,
wobei die Ausführungsbeispiele gemäß den 3 bis 7 jeweils
separate Anschlüsse der Steuervorrichtung 1für
die Batterie 7 und das Bordnetz 8 aufweisen, um
gegenüber dem Bordnetz im Leitungsquerschnitt vergrößerte
Kabel zwischen Batterie 7 und Steuervorrichtung 1 für
hohe Starterströme von bis zu 1000 A zu realisieren.
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Ferner
besitzt jede der gezeigten Steuervorrichtungen 1 jeweils
eine Steuerung 3 mit einem Mikrocomputer 11 und
einem Speicher 12, in dem ein Computerprogrammprodukt zum
Ausführen in dem Mikrocomputer 11 geladen ist,
um, zur besseren Lesbarkeit nicht dargestellt, zumindest den Pulswechselrichter 5,
den DC/DC-Wandler 6, die Schaltvorrichtung 14 und
die Überbrückungsschaltvorrichtung 13 anzusteuern.
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Die
Schaltvorrichtung 14 für den Leistungsspeicher 15 ist
jeweils als ein Halbleiterschalter, und zwar mit einem MOSFET, ausgebildet, über
den der Leistungsspeicher 15 gesteuert, insbesondere durch einen
Betrieb des MOSFETs in einem Linearbereich auch geregelt aufgeladen
bzw. entladen wird. Dabei arbeitet die Schaltvorrichtung 14 funktional
sowohl mit dem Pulswechelrichter 5 als auch mit dem DC/DC-Wandler 6,
um beiden gemeinsam oder auch nur jeweils einem der beiden Energie
aus dem Leistungsspeicher 15 zuzuführen oder auch
um Energie von diesen in den Leistungsspeicher 15 zu leiten.
Außerdem kann ein Entleeren der Batterie 7 bei
Stillstand der Brennkraftmaschine durch Leckströme des Leistungsspeichers 15 verhindert
werden oder auch ein defekter Leistungsspeicher 15 elektrisch
abgetrennt werden.
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Die
Steuervorrichtung 1 ermöglich es außerdem,
den Startergenerator 2 während einem Stillstand
der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Start-Stopp-Betrieb,
weitere mechanische Komponenten, beispielsweise eine Klimaanlage,
anzutreiben, indem der Startergenerator 2 aus dem Leistungsspeicher 15 und/oder
auch aus der Batterie 7 gespeist wird.
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Die 2 zeigt
als schematischen Schaltplan ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen elektronischen Steuervorrichtung 1.
Der Pulswechselrichter 5 ist für den Betrieb des
Startergenerators 2 und für eine getaktete Ansteuerung
als Strombegrenzung des Anlassers 10 ausgelegt.
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In
einer baulichen Einheit umfasst die Schaltungsanordnung 4 neben
dem Pulswechselrichter 5 auch die zuvor beschriebene Schaltvorrichtung 14, den
DC/DC-Wandler 6 und die Überbrückungsschaltvorrichtung 13.
Dabei verbindet der DC/DC-Wandler 6 das Bordnetz 8 mit
dem Pulswechselrichter 5 und der Schaltvorrichtung 14 für
den Leistungsspeicher 15, wobei der DC/DC-Wandler 6 mit
einem Relais als Überbrückungsschaltvorrichtung 13 überbrückbar
ist, um bei Spannungsgleichheit beidseitig des DC/DC-Wandlers 6,
also wenn die Bordnetzspannung und die Spannung am Pulswechselrichter 5 gleich
sind, Verluste über den DC/DC-Wandler 6 durch Überbrücken
des Wandlers zu minimieren.
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Der
DC/DC-Wandler 6 ist für eine Tiefsetzstellerfunktion
mit einem elektronischen Schalter 61, nämlich
einem MOSFET mit einer Diode, ausgebildet, so dass mit ihm eine
Gleichspannung von dem Pulswechselrichter 5 und/oder dem
Leistungsspeicher 15 zu der Gleichspannung des Bordnetzes 8 tiefgesetzt
wird, wenn das Bordnetz 8 von dem Leistungsspeicher 15 oder
von dem Startergenerator 2 über den Pulswechselrichter 5 gespeist
wird. Der Startergenerator 2 lässt sich dann bei
einer gegenüber dem Bordnetz erhöhten Spannungslage
betreiben, um beispielsweise den Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Außerdem
kann mit dem DC/DC-Wandler 6 mittels eines weiteren elektronischen
Schalters 62 die Gleichspannung des Bordnetzes 8 zu
einer Gleichspannung an dem Pulswechselrichter 5, und folglich
auch an dem Leistungsspeicher 15 tiefgesetzt werden, um
den Leistungsspeicher 15 mit der Batterie 7 auf
Bordnetzspannungsniveau zu laden. Durch diese zweite Tiefsetzstellerfunktion
kann der Leistungsspeicher 15 einen Start der Brennkraftmaschine
erleichtern oder es kann auch ein Spannungseinbruch des Bordnetzes 8 reduziert
werden. Der DC/DC-Wandler 6 der 2 ist somit
bidirektional mit zwei Tiefsetzstellerfunktionen ausgebildet.
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Ferner
ermöglicht die Steuervorrichtung 1
aktives und
passives Boosten, indem elektrische Energie aus dem Leistungsspeicher 15 dem
Kraftfahrzeug über den Startergenerator 2 als
zusätzliche Bewegungsenergie zugeführt wird beziehungsweise
indem der Startergenerator 2 während eines Betriebs der
Brennkraftmaschine als Generator deaktiviert und das Bordnetz 8 von
dem Leistungsspeicher 15 gespeist wird.
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Die 3 zeigt
als schematischen Schaltplan ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Steuervorrichtung 1, die sich von der in der 2 gezeigten,
insbesondere in dem DC/DC-Wandler 6 und der Überbrückungsschaltvorrichtung 13 unterscheidet.
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In
diesem, wie auch in allen nachfolgenden Ausführungsbeispielen,
ist die Überbrückungsschaltvorrichtung 13 jeweils
als ein, bzw. in den 6 und 7 als zwei
Halbleiterschalter mit jeweils einem MOSFET ausgebildet.
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Der
DC/DC-Wandler 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel
mit nur einem elektronischen Schalter 61, also insbesondere
unidirektional, ausgebildet, und zwar um eine Gleichspannung des
Pulswechselrichters 5 und/oder des Leistungsspeichers 15 zu
der Bordnetzspannung tiefzusetzen.
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Die 4 zeigt
als schematischen Schaltplan ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Startvorrichtung 1, die sich von der in der 3 gezeigten durch
einen elektronischen Schalter 63 in dem DC/DC-Wandler 6 unterscheidet,
der dadurch für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt
ist, und zwar mit einer Tiefsetzstellerfunktion, um mit dem Schalter 61,
wie zuvor erläutert, eine Spannung des Pulswechselrichters 5 und/oder
des Leistungsspeichers 15 zu der Bordnetzspannung tiefzusetzen,
und zusätzlich mit einer Hochsetzstellerfunktion, um mit dem
Schalter 63 die Gleichspannung des Bordnetzes 8 zu
einer Gleichspannung des Pulswechselrichters 5, also auch
des Leistungsspeichers 15, hochzusetzen und den Leistungsspeicher
auf ein höheres Spannungsniveau als das des Bordnetzes
zu heben. So kann bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine
der Startergenerator 2 mit einer höheren Spannung
betrieben und der nächste Startvorgang erleichtert werden.
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Die 5 zeigt
als schematischen Schaltplan ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Steuervorrichtung 1, die sich von der in der 4 gezeigten in
der Schaltungsanordnung 4 bezüglich der Ansteuerung
des Anlassers 10 unterscheidet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird der Anlasser 10 zwar von der Steuervorrichtung 1 gesteuert,
jedoch unmittelbar über die Batterie 7 bestromt.
So kann bei einem Start der Brennkraftmaschine der Pulswechselrichter 5 und
insbesondere auch der Startergenerator 2 ausgeschaltet
bleiben, beispielsweise um eine Stromaufnahme der Steuervorrichtung 1 zu
reduzieren und einen Spannungseinbruch des Bordnetzes 8 zu
verringern.
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Der
in der 6 schematisch dargestellte Schaltplan unterscheidet
sich von dem in der 5 gezeigten in der Überbrückungsschaltvorrichtung 13 und
dem DC/DC-Wandler 6. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der DC/DC-Wandler 6 mit den Schaltern 61, 62, 63 ausgebildet,
nämlich mit zwei Tiefsetzstellerfunktionen für
einen bidirektionalen Betrieb und einer Hochsetzstellerfunktion,
und zwar um eine Gleichspannung von dem Pulswechselrichter 5,
also auch von dem Leistungsspeicher 15, zu einer Gleichspannung
des Bordnetzes 8 tiefzusetzen, um eine Gleichspannung des
Bordnetzes 8 zu einer Gleichspannung des Pulswechselrichters 5,
also auch des Leistungsspeichers 15, hochzusetzen und um
eine Gleichspannung des Bordnetzes 8 zu einer Gleichspannung
des Pulswechselrichters 5, also auch des Leistungsspeichers 15 tiefzusetzen.
Da beidseitig des DC/DC-Wandlers 6 also jeweils sowohl
eine höhere als auch ein niedrigere Spannung anliegen bzw. erzeugt
werden können, umfasst die Überbrückungsschaltvorrichtung 13 zwei
Halbleiterschalter, und zwar mit jeweils gegensinnig gepolten Dioden,
um einen unbeabsichtigten Stromfluss bei geöffneten Leistungsschaltern über
die Dioden zu verhindern.
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Das
in der 7 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem in der 6 dargestellten
in dem DC/DC-Wandler 6 durch einen weiteren Schalter 64 für
eine zusätzliche Hochsetzstellerfunktion, so dass der DC/DC-Wandler der 7 zwei
Tief- und Hochsetzstellerfunktionen für jeweils einen bidirektionalen
Betrieb umfasst. Der DC/DC-Wandler 6 ist also zusätzlich
dazu ausgelegt, eine Spannung des Pulswechselrichters 5,
also auch des Leistungsspeichers 15, zu der Gleichspannung des
Bordnetzes 8 hochzusetzen. Somit kann der Leistungsspeicher 15 unter
die Bordnetzspannung entladen werden, um dann während einer
Rekuperationsphase, insbesondere bei einem Abbremsen des Kraftfahrzeuges,
bei dem von dem Startergenerator 2 Bewegungsenergie in
elektrische Energie umgewandelt wird, mehr Energie in dem Leistungsspeicher 15 zu
speichern.
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Außerdem
ist der Leistungsspeicher 15, nämlich ein Doppelschichtkondensator,
in die Schaltungsanordnung 4 in der baulichen Einheit der
Steuervorrichtung 1 integriert, so dass sich der Montageaufwand
in dem Kraftfahrzeug reduziert. Alle Figuren zeigen lediglich schematische
nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen
wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für
die Erfindung als Wesentlich verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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