DE102007027498A1

DE102007027498A1 - Switching arrangement for on-board electrical system, has switching device for interconnecting energy storages and formed as discrete active -semiconductor components e.g. MOSFET, and discrete passive -semiconductor component e.g. diode

Info

Publication number: DE102007027498A1
Application number: DE102007027498A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Engler; Reinhold Dipl.-Ing. Mickeler; Jürgen Dipl.-Ing. Schön
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-01-24

Abstract

The arrangement (1) has a switching device (6) for variably interconnecting two energy storages (4, 5), The switching device (6) is formed as discrete active -semiconductor components e.g. MOSFET, and a discrete passive -semiconductor component (6.1) e.g. diode. The energy storage (4) is provided for a starter motor (2) and for supplying energy to an associated electrical consumer equipment (7). The other storage (5) is provided for attenuation of voltage drops supplying electrical energy to another consumer equipment (9) e.g. light and.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges, umfassend einen elektrischen Startermotor, einen Generator, einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher und mindestens eine Schalteinrichtung zur variablen Verschaltung der Energiespeicher.The The invention relates to a circuit arrangement of a vehicle electrical system Motor vehicle, comprising an electric starter motor, a Generator, a first energy storage and a second energy storage and at least one switching device for variable interconnection the energy store.

Zur Verbesserung des Startverhaltens von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen ist es bekannt zu einem herkömmlichen Energiespeicher, z. B. einen Bordnetzakkumulator, einen oder mehrere weitere Energiespeicher, wie z. B. Kondensatoren, zur kurzzeitigen Lieferung hoher Ströme, die während des Startvorgangs benötigt werden, zuzuschalten. Diverse Schaltungsanordnungen, welche die Kopplung und Entkopplung zwischen Bordnetzakkumulatoren und einem oder mehreren Kondensatoren steuern, sind bereits bekannt.to Improvement of the starting behavior of internal combustion engines in motor vehicles it is known to be a conventional one Energy storage, z. B. a Bordnetzakkumulator, one or more more Energy storage, such. As capacitors, for short-term delivery high currents, the while the boot process needed be to turn on. Various circuit arrangements which the coupling and decoupling between onboard power supply accumulators and one or more Control capacitors are already known.

Beispielsweise ist es aus der DE 10 2004 016 292 A1 bekannt, zwei elektrische Energiespeicher vorzusehen, die durch eine Schalteinrichtung mit Mikroprozessorsteuerung und geeigneten Leistungshalbleiterschaltungen während des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine voneinander getrennt werden, so dass das Kraftfahrzeugbordnetz unabhängig vom Energiebedarf des Startvorgangs weiter betrieben wird.For example, it is from the DE 10 2004 016 292 A1 known to provide two electrical energy storage, which are separated by a switching device with microprocessor control and suitable power semiconductor circuits during the startup of an internal combustion engine, so that the motor vehicle electrical system is operated independently of the energy requirements of the startup process.

Die Notwendigkeit derartiger Schaltungsanordnungen ergibt sich aus dem Sachverhalt, dass während des Andrehvorgangs einer Brennkraftmaschine durch einen kurzzeitigen Spannungseinbruch im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs alle hierin enthaltenen elektrischen Verbraucher, ausgenommen der Komponenten des Anlassers, vorübergehend abgeschaltet werden. Dies hat beispielsweise ein Flackern von Lichteinrichtungen oder Neustarts von elektronischen Baugruppen (auch "Power-On-Reset" genannt) oder einen Leistungsabfall von Antrieben zur Folge. Nachteilig an der bisher bekannten Schalteinrichtung ist, dass diese sehr aufwendig ist und eine Vielzahl von Komponenten – Mikroprozessorsteuerung und Leistungshalbleiterschaltungen – umfasst.The Necessity of such circuits arises from the Facts that during the Andrehvorgangs an internal combustion engine by a momentary Voltage drop in the electrical system of a motor vehicle all contained herein electrical consumers, except for starter components, temporarily be switched off. This has, for example, a flicker of light devices or restarts of electronic assemblies (also called "power-on-reset") or one Power loss of drives result. A disadvantage of the previous known switching device is that this is very expensive and a Variety of components - microprocessor control and power semiconductor circuits.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges anzugeben, bei welcher die bisher bekannte Schalteinrichtung vereinfacht ist.Of the The invention is therefore based on the object, a circuit arrangement to specify for operating a vehicle electrical system of a motor vehicle which the previously known switching device is simplified.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaltungsanordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 genannten Merkmale enthält. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the Circuit arrangement solved, which contains the features mentioned in claim 1. Advantageous embodiments The invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges umfasst einen elektrischen Startermotor, einen Generator sowie einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher und mindestens eine Schalteinrichtung zur variablen Verschaltung der Energiespeicher. Dabei ist die Schalteinrichtung bevorzugt als ein diskretes Halbleiter-Bauelement ausgebildet. Durch die Verwendung eines einzelnen Bauelements, insbesondere mit Sperr- und Durchlassrichtung als Schaltelement ist eine direkte Entkopplung und Kopplung der beiden Energiespeicher in verschiedenen Betriebsfällen ermöglicht. Durch die Ausbildung der Schalteinrichtung als ein einzelnes diskretes Halbleiter-Bauelement sind zudem höhere Schaltgeschwindigkeiten, geringere Fehleranfälligkeiten und kein mechanischer Verschleiß erreicht, so dass auch die erreichbare Anzahl von Schaltzyklen erhöht ist. In einer möglichen Ausführungsform ist die Schalteinrichtung als ein diskretes aktives Halbleiter-Bauelement, insbesondere ein MOS-Feldeffekttransistor, oder als ein diskretes passives Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Diode, ausgebildet.The inventive circuit arrangement an electrical system of a motor vehicle includes an electrical Starter motor, a generator and a first energy storage and a second energy storage and at least one switching device for variable connection of the energy storage. Here is the switching device preferably formed as a discrete semiconductor device. By use a single component, in particular with blocking and passage direction as Switching element is a direct decoupling and coupling of the two Energy storage in different operating cases allows. Through the training the switching device as a single discrete semiconductor device are also higher switching speeds, lower error rates and no mechanical wear is achieved, so that the achievable number of switching cycles is increased. In a possible embodiment is the switching device as a discrete active semiconductor device, in particular a MOS field-effect transistor, or as a discrete passive semiconductor device, in particular a diode formed.

Darüber hinaus sind zur Sicherstellung einer primären und sekundären Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern auch während eines Motorstarts der erste Energiespeicher zum Motorstart und zur Versorgung von zugehörigen elektrischen Verbrauchern und der zweite Energiespeicher zur Dämpfung von Spannungseinbrüchen und zur Versorgung von weiterer elektrischer Verbraucher vorgesehen. Dabei ist dem ersten Energiespeicher insbesondere eine Gruppe von ersten elektrischen Verbrauchern zugeordnet, die beispielsweise während eines Motorstarts ungepuffert sind. Dem zweiten Energiespeicher ist eine Gruppe von zweiten elektrischen Verbrauchern zugeordnet, die während eines Motorstarts durch den zweiten Energiespeicher gepuffert werden und somit gegenüber Spannungseinbrüchen hinreichend stabil und fortlaufend versorgt werden.Furthermore are to ensure a primary and secondary power supply of electrical consumers also during an engine start the first energy storage engine start and the Supply of associated electrical loads and the second energy storage for damping of voltage dips and provided for the supply of other electrical consumers. In this case, the first energy store is in particular a group of associated with first electrical consumers, for example while of an engine start are unbuffered. The second energy storage is associated with a group of second electrical consumers, during a Engine starts are buffered by the second energy storage and thus opposite voltage dips sufficiently stable and continuously supplied.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand verschiedener Zeichnung näher erläutert.embodiments The invention will be described below with reference to various drawings explained in more detail.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 Schaltungsanordnung zur Bordnetzunterstützung mit einer passiven elektronischen Schalteinrichtung und 1 Circuit arrangement for on-board network support with a passive electronic switching device and

2 Schaltungsanordnung zur Bordnetzunterstützung mit einer aktiven elektronischen Schalteinrichtung. 2 Circuit arrangement for on-board network support with an active electronic switching device.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen elektrischen Startermotor 2, einen Generator 3 und einen ersten Energiespeicher 4 und einen zweiten Energiespeicher 5. Die beiden Energiespeicher 4 und 5 sind über eine Schalteinrichtung 6 miteinander variabel für verschiedene Betriebsfälle verschaltbar. Dabei dient der erste Energiespeicher 4 insbesondere dem Start eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors. Darüber hinaus kann der erste Energiespeicher 4 der Versorgung einer ersten Gruppe von elektrischen Verbrauchern 7 dienen. Zur Absicherung der ersten Gruppe von elektrischen Verbrauchern 6 ist ein Sicherungselement 8 vorgesehen. Der zweite Energiespeicher 5 dient der Versorgung einer zweiten Gruppe von elektrischen Verbrauchern 9, die über ein zugehöriges weiteres Sicherungselement 10 abgesichert sind. 1 shows a circuit arrangement 1 for a vehicle electrical system of a motor vehicle. The circuit arrangement 1 includes an electric starter motor 2 , a generator 3 and a first energy storage 4 and a second energy storage 5 , The two energy storage 4 and 5 are via a switching device 6 variably interconnectable for different operating cases. In this case, the first energy storage is used 4 in particular the start of an internal combustion engine, not shown. In addition, the first energy storage 4 the supply of a first group of electrical consumers 7 serve. To secure the first group of electrical consumers 6 is a security element 8th intended. The second energy storage 5 serves to supply a second group of electrical consumers 9 that has an associated further securing element 10 are hedged.

Der erste Energiespeicher 4 ist insbesondere ein Speicherakkumulator oder eine Batterie und dient der primären Versorgung des Bordnetzes. Dabei kann es sich um eine Versorgungsbatterie handeln, welche gleichzeitig als Startspeicher ausgelegt ist. Der zweite Energiespeicher 5 ist insbesondere ein Speicherakkumulator oder ein Doppelschicht-Kondensator mit hoher Leistungsdichte (= hohe Leistung bei geringem Gewicht) und dient der Stützung des Bordnetzes für den Fall, dass es in bestimmten Betriebsfällen oder -zuständen zu Spannungsein brächen im Bordnetz kommt. Mit anderen Worten: Der zweite Energiespeicher 5 dient der sekundären Versorgung zumindest eines Teils des Bordnetzes, um Spannungseinbrüche im Bordnetz zu begrenzen bzw. zu kompensieren. Unter einem Spannungseinbruch wird beispielsweise ein während eines Motorstarts auftretender Spannungseinbruch verstanden, der typischerweise einen Zeitbereich von kleiner 500 ms andauert. Auch kann es durch redundant ausgelegte Funktionen, wie z. B. Notbetätigung einer elektrischen Feststellbremse oder einer Getriebeparkstellung in so genannten "shift-by-wire"-Systemen, zu einem Spannungseinbruch im Bordnetz kommen.The first energy storage 4 is in particular a storage battery or a battery and serves the primary supply of the electrical system. This can be a supply battery, which is also designed as a starting memory. The second energy storage 5 is in particular a storage battery or a double-layer capacitor with high power density (= high performance at low weight) and serves to support the electrical system in the event that it comes in certain operating cases or conditions to Spannungssein brines in the electrical system. In other words: the second energy storage 5 serves the secondary supply of at least part of the electrical system to limit or compensate for voltage dips in the electrical system. A voltage dip, for example, is understood to mean a voltage dip occurring during motor start, which typically lasts for a time range of less than 500 ms. It may also be redundant designed functions such. B. emergency operation of an electric parking brake or a gear parking position in so-called "shift-by-wire" systems, come to a voltage dip in the electrical system.

Um einen derartigen Spannungseinbruch hinsichtlich der Betriebsfähigkeit der elektrischen Verbraucher 7 und 9 des Bordnetzes zu begrenzen bzw. zu kompensieren, ist vorgesehen, dass diejenigen Verbraucher 7, für die ein derartiger Spannungseinbruch ohne Fehlbetrieb verläuft, wie z. B. für heizbare Heckscheiben, Sitzheizungen, als erste Gruppe dem ersten Energiespeicher 4 zugeordnet sind. Die zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern 9, wie z. B. Beleuchtungen, elektronische Baugruppen, Antriebe, sind dem zweiten Energiespeicher 5 zugeordnet.To such a voltage drop in terms of operability of electrical loads 7 and 9 limit or compensate for the on-board electrical system is intended that those consumers 7 for which such a voltage dip runs without malfunction, such. B. for heated rear windows, seat heaters, as the first group the first energy storage 4 assigned. The second group of electrical consumers 9 , such as B. lighting, electronic components, drives, are the second energy storage 5 assigned.

Zur Stützung des Bordnetzes und insbesondere des Teils des Bordnetzes mit der zweiten Gruppe von elektrischen Verbrauchern 9 ist die Schalteinrichtung 6 als ein diskretes Haibleiter-Bauelement ausgebildet, welches im Fall eines Spannungseinbruchs, z. B. bei einem Motorstart, oder zumindest bei Unterschreiten der Spannung U5 des zweiten Energiespeichers 5 durch die Spannung U4 des ersten Energiespeichers 4 (d.h. U4 < U5), die beiden Energiespeicher 4 und 5 voneinander trennt und somit entkoppelt. Durch die Entkopplung des zweiten Energiespeichers 5 vom ersten Energiespeicher 4 und dem Teil des Bordnetzes mit einem Spannungseinbruch wird die zweite Gruppe von elektrischen Verbrauchern 9 (auch gepufferte elektrische Verbraucher genannt) vom zweiten Energiespeicher 4 versorgt. Die erste Gruppe von elektrischen Verbrauchern 7 ist in diesem Fall kurzzeitig nicht versorgt. Diese Verbraucher 7 werden auch als ungepufferte Verbraucher bezeichnet. Mit anderen Worten: Die Schalteinrichtung 6 trennt während des Motorstarts automatisch bei Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes die beiden Energiespeicher 4 und 5 voneinander und verbindet diese bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes wieder automatisch miteinander.To support the electrical system and in particular the part of the electrical system with the second group of electrical consumers 9 is the switching device 6 is designed as a discrete semiconductor device, which in the event of a voltage dip, z. B. at an engine start, or at least when falling below the voltage U5 of the second energy storage 5 by the voltage U4 of the first energy store 4 (ie U4 <U5), the two energy stores 4 and 5 separated from each other and thus decoupled. By decoupling the second energy storage 5 from the first energy storage 4 and the part of the electrical system with a voltage dip is the second group of electrical consumers 9 (Also called buffered electrical loads) from the second energy storage 4 provided. The first group of electrical consumers 7 is not supplied in this case for a short time. These consumers 7 are also referred to as unbuffered consumers. In other words: the switching device 6 automatically disconnects the two energy stores during engine startup if the voltage falls below a specified voltage value 4 and 5 from each other and connecting them again when a predetermined voltage value is exceeded.

Je nach Vorgabe ist die Schalteinrichtung 6 als ein diskretes passives Halbleiter-Bauelement 6.1, z. B. eine Diode (siehe 1), oder als ein diskretes aktives Halbleiter-Bauelement 6.21, z. B. ein MOS-Feldeffekttransistor (siehe 2), ausgebildet. Der Vorteil eines einzelnen diskreten Bauelements, wie die Verwendung einer passiven Schaltdiode oder einer aktiven Schaltdiode zwischen Source- und Drainanschluss eines geschalteten MOS-Feldeffekttransistors, liegt gegenüber herkömmlichen aufwendigen Leistungshalbleiterschaltungen in Kombination mit Mikroprozessoren oder elektromechanischen Schaltern, wie z. B. Relais, im direkten Schalten und somit in höheren Schaltgeschwindigkeiten und geringen Fehleranfälligkeiten. Dabei werden die bauelementetypischen Eigenschaften der passiven Diode und des aktiven MOS-Feldeffekttransistors dahingehend ausgenutzt, dass ein Stromfluss in nur eine Richtung gegeben ist und somit die Schalteinrichtung 6 eine Durchlass- und eine Sperrrichtung aufweist.Depending on the specification, the switching device 6 as a discrete passive semiconductor device 6.1 , z. B. a diode (see 1 ), or as a discrete active semiconductor device 6.21 , z. B. a MOS field effect transistor (see 2 ), educated. The advantage of a single discrete component, such as the use of a passive switching diode or an active switching diode between the source and drain of a switched MOS field effect transistor, compared to conventional complex power semiconductor circuits in combination with microprocessors or electromechanical switches, such. As relays, in direct switching and thus in higher switching speeds and low error rates. In this case, the device-typical properties of the passive diode and the active MOS field effect transistor are exploited to the effect that a current flow is given in only one direction and thus the switching device 6 has a forward and a reverse direction.

Nachfolgend wird der Betrieb des Bordnetzes an einem möglichen Betriebsfall näher beschrieben. Im Falle eines Spannungseinbruches durch einen Motorstart am ersten Energiespei cher 4 (= Bordnetzbatterie), der durch Betätigung des Startermotors 2 entstehen kann, geht die als ein diskretes passives oder aktives Halbleiter-Bauelement 6.1, 6.2 ausgebildete Schalteinrichtung 6 in einen sperrenden Zustand über. Dieser entsteht dadurch, dass die reguläre Spannung U4 des ersten Energiespeichers 4 kleiner als die Spannung U5 des zweiten, auch als Stützbatterie bezeichneten Energiespeichers 5 und die Vorwärtsspannung Us der Schalteinrichtung 6 ist. Hierdurch wird eine Entkopplung zwischen den gepufferten Verbrauchern 9 und den ungepufferten Verbrauchern 7 im Bordnetz des Kraftfahrzeugs bewirkt.The operation of the vehicle electrical system in a possible operating case will be described in more detail below. In the event of a voltage dip by an engine start at the first Energiespei cher 4 (= Electrical system battery), by pressing the starter motor 2 can arise as a discrete passive or active semiconductor device 6.1 . 6.2 trained switching device 6 in a blocking state. This results from the fact that the regular voltage U4 of the first energy store 4 smaller than the voltage U5 of the second, also referred to as a backup battery energy storage 5 and the forward voltage Us of the switching device 6 is. As a result, a decoupling between the ge buffed consumers 9 and the unbuffered consumers 7 effected in the electrical system of the motor vehicle.

Während des regulären Fahrbetriebs ist die Schalteinrichtung 6 in Durchlassrichtung gepolt und die ersten und zweiten Energiespeicher 4, 5 werden durch den Generator 3 aufgeladen, der wiederum durch die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angetrieben wird.During normal driving, the switching device is 6 polarized in the forward direction and the first and second energy storage 4 . 5 be through the generator 3 charged, which in turn is driven by the internal combustion engine of the motor vehicle.

Wie aus 2 ersichtlich, kann die Entkopplung zwischen den beiden Energiespeichern 4 und 5 und somit den verschiedenen Verbrauchern 7 bzw. 9 auch durch das aktive diskrete Halbleiter-Bauelement 6.2, beispielsweise durch einen invers betriebenen MOS-Feldeffekttransistor, erfolgen, der ähnlich der Halbleiterdiode im Falle eines Spannungsabfalls an der Bordnetzbatterie – dem ersten Energiespeicher 4 – eine Entkopplung des zweiten Energiespeichers 5 von diesem ersten Energiespeicher 4 bewirkt. Von Vorteil gegenüber dem diskreten passiven Halbleiter-Bauelement 6.1 – der Diode nach 1 – sind hierbei die geringeren elektrischen Verluste.How out 2 can be seen, the decoupling between the two energy storage 4 and 5 and thus to the different consumers 7 respectively. 9 also by the active discrete semiconductor device 6.2 , For example, by an inversely operated MOS field effect transistor, carried out, similar to the semiconductor diode in the event of a voltage drop across the electrical system battery - the first energy storage 4 - A decoupling of the second energy storage 5 from this first energy store 4 causes. An advantage over the discrete passive semiconductor device 6.1 - the diode after 1 - Here are the lower electrical losses.

Claims

Circuit arrangement ( 1 ) for an electrical system of a motor vehicle, comprising an electric starter motor ( 2 ) and a generator ( 3 ) and a first energy store ( 4 ) and a second energy store ( 5 ) and at least one switching device ( 6 ) for the variable connection of the energy storage ( 4 . 5 ), characterized in that the switching device ( 6 ) as a discrete semiconductor device ( 6.1 . 6.2 ) is trained.

Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the switching device ( 6 ) as a discrete active semiconductor device ( 6.2 ), in particular a MOS field effect transistor, or as a discrete passive semiconductor device ( 6.1 ), in particular a diode is formed.

Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the first energy store ( 4 ) for starting the engine and for supplying associated electrical consumers ( 7 ) and the second energy store ( 5 ) for damping voltage drops and for supplying associated electrical consumers ( 9 ) are provided.