DE10014243A1 - Zwei-Batteriensystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Zwei-Batteriesystem (1), umfassend eine Starterbatterie (2), eine Bordnetzbatterie (3), wobei die elektrischen Verbraucher in startrelevante Verbraucher und Bordnetzverbraucher eingeteilt sind, wobei zwischen der Starterbatterie (2) und den startrelevanten Verbrauchern und zwischen der Bordnetzbatterie (3) und den startrelevanten Verbrauchern jeweils ein Schaltelement angeordnet ist, mittels derer wechselseitig die startrelevanten Verbraucher durch ein Batterie-Steuergerät (6) einer Batterie zuordenbar sind, wobei das Batterie-Steuergerät (6) zwischen der Starterbatterie (2) und den startrelevanten Verbrauchern angeordnet ist und je nach Betriebszustand einen Stromfluß von der Bordnetzbatterie (3) zur Starterbatterie (2) oder von der Starterbatterie (2) zu den startrelevanten Verbrauchern erlaubt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Zwei-Batteriensystem und ein Verfahren zur Ansteuerung des
Zwei-Batteriensystems.
Ein derartiges Zwei-Batteriensystem mit einer Bordnetzbatterie und einer Starterbatterie
ist aus der DE 38 41 769 bekannt, die bei aktivem Generator miteinander verbunden
sind.
Dies hat bei geringer Generatorstromzufuhr den Nachteil, daß die Bordnetzbatterie durch
Ladungsausgleich auf Kosten der Starterbatterie geladen wird, wenn der Ladezustand
der Bordnetzbatterie schlechter als der der Starterbatterie ist. Beim bekannten Bordnetz
ist auch zwischen der Bordnetzbatterie mit den Bordnetzverbrauchern und dem übrigen
Teil des Bordnetzes ein Schalter angebracht, der bei Generatorstillstand geöffnet wird,
sobald die Starterbatteriespannung unter einen zulässigen Grenzwert sinkt. Diese
Maßnahme schützt die Starterbatterie nur bei Generatorstillstand vor einer vollständigen
Entladung und läßt zudem eine Teilentladung der Starterbatterie zu. Durch diese
schlechte Ausgangsbedingung wird beim Fahrtbeginn die Belastung der Starterbatterie
verstärkt, wenn ein Ladungsausgleich der beiden Batterien zu Ungunsten der
Starterbatterie stattfindet. Dies kann im Extremfall zur vollständigen Entladung oder
Zerstörung der Starterbatterie führen.
Aus der DE 40 28 242 ist ein Zwei-Batteriensystem bekannt, bei dem die Verbindung
zwischen Starterbatterie und Bordnetzbatterie unabhängig vom Fahrzustand auftrennbar
ist, wenn anderenfalls die Bordnetzbatterie aus der Starterbatterie aufgeladen werden
würde. Die beiden Batterien sind miteinander verbunden, wenn die
Bordnetzbatteriespannung größer ist als die Starterbatteriespannung. Ist die Spannung
der Bordnetzbatterie kleiner als die der Starterbatterie, werden die beiden Batterien
voneinander getrennt. Die Trennung kann unterschiedlich, beispielsweise durch
Abschalten der Starterbatterie vom übrigen Bordnetz vorgenommen werden. Auf diese
Weise wird die Starterbatterie nicht durch eine entladene Bordnetzbatterie belastet, der
Generator kann im Arbeitsmodus die wichtigsten Verbraucher versorgen und gleichzeitig
die Bordnetzbatterie aufladen. Die beiden Batterien können auch durch ein Abschalten
der Bordnetzbatterie vom übrigen Bordnetz getrennt werden. Bei einer gegebenenfalls
dann bestehenden Verbindung zwischen Generator und Starterbatterie kann die
Starterbatterie aufgeladen werden.
Nachteilig an dem bekannten Zwei-Batteriensystem ist dessen aufwendiges
Lademanagement, da eine kontinuierliche Überwachung des Bordnetzzustandes
notwendig ist. Darüber hinaus führt ein häufiges Schalten des Verbindungsmittels zu
dessen Verschleiß.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Zwei-Batteriensystem
und ein Verfahren zu dessen Ansteuerung zu schaffen, mittels derer ein zuverlässiges
Starten und ein einfaches Lademanagement möglich ist, ohne die Schaltmittel einem
übermäßigen Verschleiß auszusetzen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den
Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu wird zwischen der Starterbatterie und den startrelevanten Verbrauchern und
zwischen der Bordnetzbatterie und den startrelevanten Verbrauchern jeweils ein
Schaltelement angeordnet, mittels derer wechselseitig die startrelevanten Verbraucher
durch ein Batterie-Steuergerät einer Batterie zuordenbar sind, wobei das Batterie-
Steuergerät zwischen der Starterbatterie den startrelevanten Verbrauchern angeordnet
ist und je nach Betriebszustand einen Stromfluß von der Bordnetzbatterie zur
Starterbatterie oder von der Starterbatterie zu den startrelevanten Verbrauchern erlaubt,
wobei die Schaltmittel ohne wesentliche Lastströme geschaltet werden können. Des
weiteren erlaubt der Strompfad über das Batterie-Steuergerät ein Laden der
Starterbatterie und ein Umschalten der startrelevanten Verbraucher, ohne die beiden
Batterien direkt miteinander zu verbinden, so daß unerwünschte Querströme zwischen
den Batterien, die eine Zerstörung von Bauelementen bewirken könnten, vermieden
werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Starterbatterie und der
Bordnetzbatterie ein weiteres Schaltelement angeordnet, das von dem Batterie-
Steuergerät ansteuerbar ist, wodurch im Startfall die beiden Batterien parallel geschaltet
werden können, was insbesondere bei einem Kaltstart vorteilhaft ist oder wenn der
Starter allgemein große Startströme benötigt.
Die Schaltelemente sind vorzugsweise als Relais ausgebildet, wobei das Relais zwischen
den beiden Batterien aufgrund der hohen Startströme als Leistungsrelais ausgebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Relais zwischen der
Bordnetzbatterie und den startrelevanten Verbrauchern als Öffner und das Relais
zwischen der Starterbatterie und den startrelevanten Verbrauchern als Schließer
ausgebildet. Dadurch sind die startrelevanten Verbraucher standardmäßig im
Ruhezustand der Bordnetzbatterie zugeordnet, die im Regelfall auch alle Verbraucher
versorgen kann, so daß Schaltvorgänge nur im Notfall notwendig sind und die Relais im
Normalfall das Bordnetz nicht weiter belasten.
Im Ruhezustand entkoppelt dann das Batterie-Steuergerät die Starterbatterie von der
Bordnetzbatterie, so daß über das geschlossene Schaltelement der Bordnetzbatterie
keine Ausgleichsströme von der Starterbatterie zur Bordnetzbatterie fließen können.
Im Betrieb mit erregtem Generator arbeitet das Batterie-Steuergerät als Hochsetzsteller
(DC/DC Wandler), wodurch beispielsweise eine 12 V-Ausgangsspannung der
Bordnetzbatterie auf 15 V hochgesetzt werden kann. Dadurch liegt an der der
Starterbatterie zugewandtem Seite des Batterie-Steuergerätes stets ein höheres
Potential als an der Starterbatterie, so daß ein gerichteter Ladestrom zur Starterbatterie
sichergestellt ist. Da die Hochsetzsteller in einem weiten Spannungsbereich arbeiten, ist
somit nahezu unabhängig vom Ladezustand der Bordnetzbatterie ein Ladestrom zur
Starterbatterie gewährleistet.
Im Notstartbetrieb, wenn also die startrelevanten Verbraucher durch die Starterbatterie
versorgt werden sollen, ermöglicht das Batterie-Steuergerät eine elektrische Verbindung
zwischen der Starterbatterie und den startrelevanten Verbrauchern. Dadurch kann das
Schaltelement der Bordnetzbatterie bereits gesperrt bzw. geöffnet werden, bevor das
Schaltelement der Starterbatterie bereits durchgeschaltet bzw. geschlossen ist, ohne daß
die startrelevanten Verbraucher kurzzeitig ohne Spannungsversorgung sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist parallel zu den startrelevanten
Verbrauchern ein Relais angeordnet, mittels dessen im Notstartbetrieb ein Klemme 15
entsprechendes Signal für die startrelevanten Verbraucher erzeugbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher
erläutert. Die Figur zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Zwei-Batteriensystems im Ruhezustand,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des Zwei-Batteriensystems gemäß Fig. 1 im
Normalbetrieb,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des Zwei-Batteriensystems gemäß Fig. 1 im
Notstartbetrieb in einer ersten Schaltvariante,
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild des Zwei-Batteriensystems gemäß Fig. 1 im
Notstartbetrieb in einer zweiten Schaltvariante und
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild des Zwei-Batteriensystems gemäß Fig. 1 im Crash-
Fall.
Das Zwei-Batteriensystem 1 umfaßt eine Starterbatterie 2, eine Bordnetzbatterie 3, einen
Starter 4, einen Generator 5, ein Batterie-Steuergerät 6 und ein Startfreigabe-
Steuergerät 7. Die elektrischen Verbraucher sind in Bordnetzverbraucher, startrelevante
Verbraucher und "Zündung-ein"-benötigende Verbraucher unterteilt. Dabei sind die
Bordnetzverbraucher der Klemme 30 und die startrelevanten Verbraucher der Klemme
30 SV zugeordnet. Die "Zündung-ein"-benötigenden Bordnetzverbraucher sind der
Klemme 15 und die "Zündung-ein"-benötigenden startrelevanten Verbraucher sind der
Klemme 15 SV zugeordnet, wobei deren Betriebsspannungsversorgung auch über die
Klemme 30 bzw. 30 SV erfolgen kann.
Ein Beispiel für "Zündung-ein"-benötigende Verbraucher ist das Airbag-Steuergerät, das
diese Information benötigt, um von einem Ruhezustand in einen aktiven Zustand
umzuschalten. Zwischen der Starterbatterie 2 und der Bordnetzbatterie 3 ist ein erstes
Relais R1 angeordnet, das durch das Batterie-Steuergerät 6 ansteuerbar ist. Des
weiteren sind zwischen der Starterbatterie 2 und der Klemme 30 SV bzw. Klemme 15 SV
und zwischen der Bordnetzbatterie 3 und der Klemme 30 SV bzw. Klemme 15 SV jeweils
ein Relais R2 bzw. R3 angeordnet, wobei das Relais R2 als Schließer und das Relais R3
als Öffner ausgebildet sind. Die Relais R2 und R3 werden ebenfalls durch das Batterie-
Steuergerät 6 angesteuert. Der Klemme 15 und der Klemme 15 SV ist jeweils ein
weiteres Relais R4 bzw. R5 zugeordnet, die durch das Startfreigabe-Steuergerät 7
geschaltet werden. Die Klemme 30 ist direkt mit der Bordnetzbatterie 3 verbunden. Des
weiteren ist die Bordnetzbatterie 3 auch Spannungsversorgung für das Batterie-
Steuergerät 6 und das Startfreigabe-Steuergerät 7, wobei das Batterie-Steuergerät 6
auch über eine redundante Spannungsversorgungsleitung zur Starterbatterie 2 und das
Startfreigabe-Steuergerät 7 über eine redundante Spannungsversorgung aus Klemme 30
SV verfügt, die jedoch im Regelfall die Starterbatterie 2 nicht belasten.
Im Ruhezustand ist nur das Relais R2 geschlossen und alle anderen Relais R1, R3, R4,
R5 sind offen. Über die offenen Relais R1, R2 und das sperrende Batterie-Steuergerät 6
ist die Starterbatterie 2 vollkommen unbelastet. Der Ruhestrom von
Bordnetzverbrauchern an Klemme 30 und von dem Batterie-Steuergerät 6 bzw.
Startfreigabe-Steuergerät 7 wird von der Bordnetzbatterie 3 geliefert.
Vor Einleitung eines Startvorgangs überprüft das Batterie-Steuergerät 6 den
Ladezustand der Bordnetzbatterie 3. Ist der Ladezustand zur Versorgung der
Steuergeräte und startrelevanten Verbraucher ausreichend, so bleiben die Relais R2, R3
in ihrer Ruhestellung. Die Relais R4 und R5 werden geschlossen, so daß die Klemme 15
bzw. 15 SV mit Spannung versorgt wird. Danach wird ein Klemme 50-Signal erzeugt,
das dann den eigentlichen Startvorgang einleitet, wobei gegebenenfalls das Relais R1
durch das Batterie-Steuergerät 6 geschlossen wird, um einen ausreichenden
Starterstrom zu liefern. Nach dem Startvorgang bleiben die Relais R4, R5 geschlossen
und das gegebenenfalls geschlossene Relais R1 wird wieder geöffnet. Das Batterie-
Steuergerät 6 schaltet in einen Hochsetzsteller-Modus um und ermöglicht einen
gerichteten Strompfad von der Bordnetzbatterie 3 über das Relais R3 und den
Hochsetzsteller zur Starterbatterie 2. Dieser Normalbetrieb ist in Fig. 2 dargestellt.
Ergibt hingegen die Überprüfung des Bordnetzzustandes vor Einleitung des
Startvorganges, daß die Bordnetzbatterie 3 nicht die startrelevanten Verbraucher an
Klemme 30 SV versorgen kann, so werden diese der Starterbatterie 2 zugeordnet.
Hierzu schaltet das Batterie-Steuergerät 6 zunächst durch, was durch den
geschlossenen Schalter symbolisiert wird. Somit sind die Starterbatterie 2 über das
Batterie-Steuergerät 6 und die Bordnetzbatterie 3 über das geschlossene Relais R3
parallelgeschaltet. Anschließend wird das Relais R3 geöffnet und das Relais R2
geschlossen, wobei im Moment, wo Relais R3 bereits offen und Relais R2 noch nicht
geschlossen ist, das Batterie-Steuergerät 6 kurzzeitig den Strom übernimmt. Das als
einfacher Schalter dargestellte Schaltelement im Batterie-Steuergerät 6 ist vorzugsweise
ein Leistungshalbleiter, mittels dessen ein Überstrom abschaltbar ist, so daß größere
Entladeströme von der Starterbatterie 2 zur Bordnetzbatterie 3 vermieden werden.
Nachdem das Relais R2 geschlossen ist, sperrt das Batterie-Steuergerät 6 und der
Strom für die startrelevanten Verbraucher fließt ausschließlich über das Relais R2.
Anschließend kann dann das Startfreigabe-Steuergerät 7 das Relais R5 schließen, so
daß ein Signal Klemme 15 SV erzeugt wird, was in Fig. 3 dargestellt ist. Anschließend
wird ein Klemme 50-Signal erzeugt und der Startvorgang eingeleitet. Mit der Erregung
des Generators 5 wird die Bordnetzbatterie 3 langsam geladen und die Klemme 30
wieder mit Spannung versorgt. Bei Bedarf kann zur Unterstützung des Generators
kurzzeitig das Relais R1 geschlossen werden. Erlaubt der Zustand der Bordnetzbatterie
3 wieder eine Spannungsversorgung der Bordnetzverbraucher, so schaltet das
Startfreigabe-Steuergerät 7 das Relais R4, so daß Klemme 15 wieder mit Spannung
versorgt wird. Anschließend erfolgt dann die Umschaltung der startrelevanten
Verbraucher von der Starterbatterie 2 auf die Bordnetzbatterie 3. Hierzu schaltet das
Batterie-Steuergerät 6 zunächst durch, so daß das Relais R2 und das Batterie-
Steuergerät 6 parallelgeschaltet sind. Anschließend wird das Relais R2 geöffnet und das
Relais R3 geschlossen. In der Zeit, wo das Relais R2 schon offen und das Relais R3
noch nicht geschlossen ist, übernimmt wieder der Halbleiter im Batterie-Steuergerät 6
den Strom, so daß die startrelevanten Verbraucher an Klemme 30 SV bzw. Klemme 15
SV nicht kurzzeitig ohne Spannungsversorgung sind. Nachdem R3 geschlossen ist
schaltet das Batterie-Steuergerät 6 auf den Hochsetzsteller-Modus um.
Eine alternative Möglichkeit zur Reduzierung der Ströme durch die Relais R2 und R3 in
den Umschaltvorgängen ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei wird zum Zeitpunkt des
Umschaltens das Relais R1 geschlossen, wodurch die Starterbatterie 2 und die
Bordnetzbatterie 3 parallel geschaltet sind und ein Potentialausgleich stattfindet.
Eine weitere Form des Notbetriebes stellt eine entladene Starterbatterie 2 dar. In diesem
Fall ist das Relais R2 offen und das Relais R3 geschlossen (Ruhezustand). Die
startrelevanten Verbraucher an Klemme 30 SV werden über die Bordnetzbatterie 3
versorgt. Prinzipiell könnte ganz normal parallel aus beiden Batterien gestartet werde.
Um jedoch die Belastung für die Bordnetzbatterie 3 zu reduzieren, bleibt das Relais R4
offen und nur das Relais R5 wird geschlossen. Erst wenn der Generator 5 erregt ist wird
das Relais R5 geschlossen und die übrigen Bordnetzverbraucher eingeschaltet.
In der Fig. 5 ist das Prinzipschaltbild dargestellt, wie gegebenenfalls nach einem Crash-
Fall gestartet werden kann. Bei einem Crash-Fall wird der Pluspol der Starterbatterie 2
durch ein pyrotechnisches Element weggesprengt, was durch die Unterbrechung an der
Starterbatterie 2 symbolisiert ist. In diesem Betriebszustand ist das Relais R1 offen.
Mittels des Batterie-Steuergerätes 6 kann nun die Starterleitung auf Kurzschluß
untersucht werden. Hierzu stellt das Batterie-Steuergerät 6 eine elektrische Verbindung
zur Starterleitung her, wobei das Potential am Batterie-Steuergerät 6 derart eingestellt
wird, daß bei Kurzschluß auf der Starterleitung nur ein geringer Prüfstrom fließt, der
keine Brandgefahr darstellt. Weist die Starterleitung hingegen keinen Kurzschluß auf, so
kann kein Strom fließen, da die Verbindung zur Starterbatterie 2 offen ist. Stellt nun das
Batterie-Steuergerät 6 fest, daß die Starterleitung keinen Kurzschluß aufweist, so kann
das Relais R1 geschlossen werden und der Starter 4 aus der Bordnetzbatterie 3 versorgt
werden.
Claims (14)
1. Zwei-Batteriensystem, umfassend eine Starterbatterie, eine Bordnetzbatterie, wobei
die elektrischen Verbraucher in startrelevante Verbraucher und Bordnetzverbraucher
eingeteilt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Starterbatterie (2) und den startrelevanten Verbrauchern und zwischen
der Bordnetzbatterie (3) und den startrelevanten Verbrauchern jeweils ein
Schaltelement angeordnet ist, mittels derer wechselseitig die startrelevanten
Verbraucher durch ein Batterie-Steuergerät (6) einer Batterie zuordenbar sind, wobei
das Batterie-Steuergerät (6) zwischen der Starterbatterie (2) und den startrelevanten
Verbrauchern angeordnet ist und je nach Betriebszustand einen Stromfluß von der
Bordnetzbatterie (3) zur Starterbatterie (2) oder von der Starterbatterie (2) zu den
startrelevanten Verbrauchern erlaubt.
2. Zwei-Batteriensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der
Starterbatterie (2) und der Bordnetzbatterie (3) ein weiteres Schaltelement
angeordnet, das von dem Batterie-Steuergerät (6) ansteuerbar ist.
3. Zwei-Batteriensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltelemente als Relais R1-R3 ausgebildet sind.
4. Zwei-Batteriensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen
Bordnetzbatterie (3) und startrelevanten Verbrauchern angeordnete Relais R3 als
Öffner und das zwischen Starterbatterie (2) und startrelevanten Verbrauchern
angeordnete Relais R2 als Schließer ausgebildet sind.
5. Zwei-Batteriensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Ruhezustand das Batterie-Steuergerät (6) die
Starterbatterie (2) von der Bordnetzbatterie (3) elektrisch entkoppelt.
6. Zwei-Batteriensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebszustand mit erregtem Generator (5) das Batterie-
Steuergerät (6) als Hochsetzsteller wirkt, wodurch sich ein gerichteter Stromfluß von
der Bordnetzbatterie (3) über das Batterie-Steuergerät (6) zur Starterbatterie (2)
einstellt.
7. Zwei-Batteriensystem nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Notstartbetrieb über das Batterie-Steuergerät (6) eine
elektrische Verbindung zwischen der Starterbatterie (2) und den startrelevanten
Verbrauchern herstellbar ist.
8. Zwei-Batteriensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß parallel zu den startrelevanten Verbrauchern ein Relais R4
angeordnet ist, mittels dessen im Notstartbetrieb ein Klemme 15 entsprechendes
Signal für die startrelevanten Verbraucher erzeugbar ist.
9. Zwei-Batteriensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Relais zur Erzeugung des Klemme 15-Signals bzw. des
Klemme 15 entsprechenden Signals über ein Startfreigabe-Steuergerät (7)
ansteuerbar sind.
10. Zwei-Batteriensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Startfreigabe-Steuergerät (7) mit einer redundanten Spannungsversorgung
ausgebildet ist.
11. Verfahren zum Starten und Betreiben eines Zwei-Batteriensystems nach Anspruch
1, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- a) Zuordnen der elektrischen Verbraucher der Bordnetzbatterie (3) im Ruhezustand,
- b) Überprüfen der Bordnetzbatteriespannung vor Einleitung eines Startvorganges durch das Batterie-Steuergerät (6),
- c) Umschalten der startrelevanten Verbraucher von der Bordnetzbatterie (3) auf die Starterbatterie (2), wenn die Bordnetzbatterie (3) die startrelevanten Verbraucher nicht ausreichend versorgen kann,
- d) Erzeugen eines Klemme 15 und/oder eines Klemme 15 SV-Signals und
- e) Bestromen des Starters (4) durch die Starterbatterie (2) und gegebenenfalls die Bordnetzbatterie (3).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer notwendigen
Umschaltung der startrelevanten Verbraucher auf die Starterbatterie (2) zunächst
das Batterie-Steuergerät (6) durchgeschaltet wird, anschließend das der
Bordnetzbatterie (3) zugeordnete Schaltelement gesperrt wird, das der
Starterbatterie (2) zugeordnete Schalterelement durchgeschaltet wird und das
Batterie-Steuergerät (6) anschließend sperrt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Start die
Maßnahmen in umgekehrter Reihenfolge zurückgesetzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer notwendigen
Umschaltung der startrelevanten Verbraucher im Umschaltzeitpunkt das Relais R1
geschlossen wird.
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