DE102004008817B4 - Verfahren zum Laden einer Hochspannungsbatterie in einem Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs, System für ein Kraftfahrzeug sowie elektrisches Hybridfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochspannungsbatterie und ein System für ein Kraftfahrzeug.
- Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sind typischerweise sowohl mit einem Startermotor als auch mit einem Wechselstromgenerator ausgestattet. In den vergangenen Jahren wurde eine Kombination aus Wechselstromgenerator und Startermotor vorgeschlagen. Derartige Systeme haben einen direkt an der Kurbelwelle des Motors befestigten Rotor und einen zwischen dem Motorblock und der Gehäuseglocke des Getriebes angeordneten Stator. Während der anfänglichen Startphase des Fahrzeugs funktioniert der Starter/Generator als Starter. Während der Funktion als Starter dreht der Starter/Generator die Kurbelwelle des Motors, während die Zylinder aktiviert werden.
- Nachdem der Motor gestartet wurde, wird der Starter/Generator als Generator verwendet, um das elektrische System des Fahrzeugs zu laden.
- Solche Systeme können sowohl ein System mit nominal 12 Volt als auch ein System mit nominal 36 Volt umfassen, was Betriebsspannungen von 14 Volt bzw. 42 Volt entspricht. Es sollte bemerkt werden, dass das Zwei-Spannungs-System auch in Fahrzeuge ohne Starter/Generator eingebaut werden kann.
- Die elektrische Energie von der 42-Volt-Batterie wird verwendet, um den Starter/Generator zu drehen, der seinerseits wiederum verwendet wird, um den Motor zu starten. Die Energie von dem 12-Volt-System kann verwendet werden, um die Leuchten des Fahrzeugs und das Armaturenbrett zu betreiben. Folglich ist es wichtig, die Batterie betriebsfähig zu erhalten, so dass ein gewisser Ladezustand geschaffen wird, um es der Batterie zu ermöglichen, genug Kraft für den Starter/Generator zu liefern, um den Motor zu starten. Wenn jedoch eine Batterie oder beide Batterien erschöpft sind, kann es erforderlich sein, das Fahrzeug durch Starthilfe zu starten. Hierbei ist die typische Starthilfe erwünscht, bei der Starthilfekabel eine gute Batterie oder Stromquelle mit der entladenen Batterie verbinden. Wenn die 42-Volt-Batterie schwach ist, kann sie natürlich nicht durch Laden der 12-Volt-Batterie aufgeladen werden. Es ist nicht wünschenswert, dass der Betreiber des Fahrzeugs beide Batterien unabhängig voneinander laden kann, um ein Verwechseln der Spannungspotentiale und möglicherweise die Beschädigung der Batterien oder des elektrischen Systems zu vermeiden.
- Aus der Druckschrift
DE 101 19 985 A1 ist eine Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs bekannt, die ein erstes und ein zweites Spannungsniveau bereitstellt. Das Zweispannungsbordnetz wird zumindest aus einem Energiespeicher gespeist. Vorgesehen sind zumindest ein Wandler zur Wandlung der beiden Spannungsniveaus und externe Einspeisemittel zur weiteren Speisung des Energiespeichers. - Bekannt sind aus der Druckschrift
DE 100 63 289 A1 ein DC-DC-Wandler und ein Energie-Management-System für ein motorisiertes Fahrzeug. Es weist zwei Spannungsversorgungsanschlüsse mit einer ersten und einer zweiten Nennspannung auf. Wenigstens einer der beiden Spannungsversorgungsanschlüsse ist mit einer Batterie verbunden. Ein universeller bidirektionaler DC-DC-Wandler ist so angeschlossen, dass Energie zwischen den beiden Spannungsversorgungsanschlüssen ausgetauscht wird. Ein dritter Spannungsversorgungsanschluss ist vorgesehen, um Energie zwischen dem DC-DC-Wandler und einem elektrischen System eines externen Fahrzeugs oder einem Batterieladegerät auszutauschen. - Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden der Batterien in einem Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, die dem Betreiber des Fahrzeugs eine Hilfestellung geben und ihn durch den Ladevorgang führen.
- Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 14. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Die vorliegende Erfindung schafft einen Weg, um die Batterien eines Fahrzeugs so zu laden, dass beide Batterien mit den zwei Spannungswerten geladen werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Laden einer Hochspannungsbatterie das elektrische Verbinden einer ersten Niederspannungsquelle mit einer Niederspannungsbatterie, Umwandeln der Niederspannung in eine Hochspannung, Laden einer Hochspannungsbatterie mit der hohen Spannung, Überwachung des Ladezustands der Hochspannungsbatterie, Vergleichen des Ladezustands mit einem vorbestimmten Ladezustand und Erzeugen eines Hinweises, wenn der Ladezustand den vorbestimmten Ladezustand erreicht hat. - Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein System für ein Kraftfahrzeug eine Niederspannungsbatterie mit Niederspannung, eine Hochspannungsbatterie mit Hochspannung und einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der mit der Niederspannungsbatterie und der Hochspannungsbatterie verbunden ist. Ein Steuergerät regelt die Umwandlung der Niederspannung in eine Hochspannung durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und steuert das Laden der Hochspannungsbatterie mit der Hochspannung. Das Steuergerät überwacht den Ladezustand der Hochspannungsbatterie, vergleicht den Ladezustand mit einem vorbestimmten Ladezustand und erzeugt einen Hinweis, wenn der Ladezustand den vorbestimmten Ladezustand erreicht hat.
- Ein Vorteil besteht darin, dass der Hinweis dem Betreiber des Fahrzeugs sowohl Instruktionen als auch Informationen über den Ladezustand der beiden Fahrzeugbatterien liefern kann.
- Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung deutlich.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische funktionelle Darstellung eines Kraftfahrzeugs, das ein Starter/Generatorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist; -
2 ein Ablaufdiagramm, das die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beim Laden der 42-Volt-Batterie darstellt, -
3 eine Seitenansicht einer Batterieanschlussklemmen-Abdeckung mit einer Schalteinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf eine spezielle Ausführungsform eines Starters/Generators, der für ein Hybrid-Elektrofahrzeug vorgesehen ist, beschrieben. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können jedoch auf verschiedene Fahrzeugtypen angewandt werden, die mit zwei Batterien betriebene elektrische Systeme aufweisen.
- In
1 ist ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt, das einen Verbrennungsmotor 12 mit Zylindern 14 und darin angeordneten Kolben 16 aufweist. Jeder Zylinder 14 ist über eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (nicht dargestellt) oder ein anderes Kraftstoffzuführsystem mit einer Kraftstoffpumpe 18 verbunden. - Jeder Zylinder 14 weist weiterhin eine Zündkerze 20 oder eine andere Zündeinrichtung auf, die mit einer Kraftübertragungssteuereinheit 22 verbunden ist. Die Kraftübertragungssteuereinheit 22 steuert den Zündzeitpunkt und die Kraftstoffpumpe 18, die unter Anwendung der Verbesserungen der vorliegenden Erfindung in einer konventionellen Weise arbeitet.
- Der Motor 12 ist mit einem Getriebe 26 verbunden. Das Getriebe 26 kann automatisch, manuell oder kontinuierlich variabel sein. Das Getriebe 26 ist mit einem Differential 28 verbunden, um eine Achse 30 anzutreiben, wodurch Kraft auf die Räder 32 übertragen wird. Natürlich ist die vorliegende Erfindung auch für Vierradantriebssysteme geeignet, bei denen alle Räder 32 angetrieben werden.
- Mit dem Motor 12 ist ein Starter/Generatorsystem 40, das einen Starter/Generator 42 sowie die zugeordnete Steuerelektronik umfasst, verbunden. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Starter/Generator 42 zwischen einem Gehäuse 44 des Getriebes 26 und dem Motor 12 angeordnet. Es ist für einen Fachmann natürlich naheliegend, dass auch andere Konstellationen möglich sind, einschließlich riemengetriebener Typen, jedoch nicht darauf beschränkt. Der Starter/Generator 42 weist einen Stator 46, der an der Gehäuseglocke 44 befestigt ist, sowie einen Rotor 48, der an einer Kurbelwelle 50 des Motors 12 befestigt ist, auf. Eine Kupplung 52 wird verwendet, um Motor 12 und Getriebe 26 ein- und auszukuppeln. Der Starter/Generator 42 wird während des Startvorganges des Motors als Starter verwendet und als Lichtmaschine, um Strom zum Wiederaufladen der Batterien des Fahrzeugs und für die Versorgung der elektrischen Verbraucher zu liefern. Die Kupplung 52 ermöglicht es dem Starter/Generator 42, den Motor vor dem Eingriff des Getriebes zu starten.
- Eine Fahrzeugsystem-Steuereinheit 54 ist mit dem Starter/Generator-System 40 verbunden. Die Fahrzeugsystem-Steuereinheit 54 ist mit der Kraftübertragungssteuereinheit 22, einem Wechselrichter 56 und einem Batteriesteuermodul 57 verbunden. Die Steuereinheit 54 und das Batteriesteuermodul 57 können gemeinsam als Steuereinheit bezeichnet werden. In der Praxis können der Wechselrichter 56, die Systemsteuereinheit 54 und das Batteriesteuermodul 57 in einem Gehäuse zusammengefasst sein oder unter Verwendung einer Vielfachleitung miteinander verbunden sein, so dass es unwichtig ist, welche Signale an welchem Gerät erzeugt werden. Der Wechselrichter 56 wird verwendet, um während des Fahrbetriebs Gleichstrom in Wechselstrom und während des Stromerzeugungsbetriebs Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, wie weiter unten näher beschrieben wird.
- Das Batteriesteuermodul 57 wird mit einer 42-Volt-Batterie 64 verbunden, um die Spannung und den Strom zu überwachen. Durch Überwachen der Batteriespannung und des Stroms kann der Ladezustand der 42-Volt-Batterie 64 bestimmt werden.
- Der Wechselrichter 56 wird an einen Energiespeicher 58, wie beispielsweise einen Hochleistungskondensator, einen ersten Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 60 und einen zweiten Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 62 angeschlossen. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 60 wird an einer Batterie 64 mit 42 Volt angeschlossen. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 62 wird an einer Batterie 66 mit nominal 12 Volt angeschlossen. Die aktuelle Batteriespannung ist natürlich von dem jeweiligen System abhängig, an dem sie angeschlossen ist. Die vorliegende Erfindung ist ganz besonders vorteilhaft, wenn die eine Batteriespannung wesentlich höher als die andere Batteriespannung ist.
- Es ist ferner zu bemerken, dass ein Schutzschalter 68 zwischen der 42-Volt-Batterie 64 und dem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 60 elektrisch zwischengeschaltet sein kann, um eine elektrische Isolierung zwischen der 42-Volt-Batterie und dem Rest des Fahrzeugs herzustellen. Das Batteriesteuermodul 57 ist an dem Schutzschalter 68 angeschlossen, um das Öffnen und Schließen des Schutzschalters 68 zu steuern.
- Die Systemsteuereinheit 54 ist ebenfalls an einer Anzeigeeinrichtung 70 angeschlossen. Die Anzeigeeinrichtung 70 kann eine akustische Anzeige, eine optische Anzeige oder eine Kombination aus diesen beiden sein. Ein Beispiel für eine Anzeigeeinrichtung 70 ist ein LCD-Display, das verschiedene Mitteilungen und vom Betreiber des Fahrzeugs durchzuführende Maßnahmen anzeigen kann. Hinweisleuchten des Armaturenbretts oder Akustiksignale können auch zum Erzeugen von Mitteilungen verwendet werden.
- Eine 12-Volt-Quelle 65 wie beispielsweise eine 12-Volt-Batterie eines anderen Fahrzeugs, ein Batterieladegerät oder ein Generator sind, wie gezeigt, elektrisch mit der 12-Volt-Batterie 66 verbunden.
- In
2 ist ein Verfahren zum Laden der 42-Volt-Batterie dargestellt, unabhängig davon, ob die 12-Volt-Batterie entladen ist oder nicht. In dem Fall, dass eine 12-Volt-Batterie entladen ist, kann die 12-Volt-Batterie gleichzeitig zusammen mit der 42-Volt-Batterie geladen werden. In Schritt 110 wird vom System die Überprüfung kontinuierlich wiederholt, wenn die 42-Volt-Batterie nicht tot / entladen (N) ist. Wenn die 42-Volt-Batterie tot ist (Y), wird nach Schritt 110 der Schritt 112 ausgeführt. In Schritt 112 wird ein Schalter betätigt, wie weiter unten näher erläutert wird. Wenn der Schalter betätigt wurde (Y), wird der Starthilfevorgang gestartet. Dieser Schritt wird gleichzeitig mit dem Schritt 114 ausgeführt. In Schritt 114 werden die Starthilfekabel mit der 12-Volt-Batterie in der oben beschriebenen Art und Weise verbunden. Während des Vorganges können Mitteilungen oder andere Hinweise angezeigt werden. In Schritt 116 wird abgefragt, ob die Spannung der 12-Volt-Batterie nicht höher als die Spannung der 42-Volt-Batterie ist und für den Fall, dass sie höher ist (N), eine Fehlermitteilung als Schritt 118 erzeugt. In Schritt 116 wird für den Fall, dass die Spannung der 12-Volt-Batterie nicht größer als die Spannung der 42-Volt-Batterie ist (Y), der Schritt 120 ausgeführt. In Schritt 120 wird der oben beschriebene Schutzschalter 68 geschlossen. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 60 wird dann verwendet, um den 12-Volt-Strom in einen 42-Volt-Strom umzuwandeln, so dass die 42-Volt-Batterie in Schritt 122 geladen werden kann. In Schritt 124 wird der Ladezustand der 42-Volt-Batterie überwacht. In Schritt 126 kann dem Betreiber des Fahrzeugs über ein Display eine Mitteilung angezeigt werden, dass der Ladevorgang fortgesetzt werden soll, bis anders lautende Weisungen erfolgen. In Schritt 128 wird der Ladezustand der 42-Volt-Batterie überwacht. Wenn der Ladezustand im Vergleich zu einem unteren Grenzwert für den Ladezustand darauf schließen lässt, dass die 42-Volt-Batterie nicht geladen ist (N), werden die Schritte 124 und 126 erneut wiederholt, wodurch die Mitteilung „bitte weiter laden“ weiterhin angezeigt wird. Wenn der Ladezustand in Schritt 128 auf einem Wert ist (Y), der darauf hinweist, dass die 42-Volt-Batterie geladen ist (ein Ladezustand oberhalb des unteren Grenzwerts), wird der Schritt 130 ausgeführt. In Schritt 130 kann das Anzeigedisplay „nicht weiter laden“ anzeigen, so dass der Betreiber des Fahrzeugs weiß, dass die 42-Volt-Batterie voll geladen ist. In Schritt 132 kann das Fahrzeug gestartet und normal betrieben werden, da beide Batterien geladen sind. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann das in der3 dargestellte Verfahren sowohl zum Laden der 42-Volt-Batterie als auch zum Laden der 12-Volt-Batterie verwendet werden, falls dies erforderlich ist. Natürlich kann auch mehr als eine Batterie von jedem Typ in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Das bedeutet, dass die 42-Volt-Batterie geladen und voll funktionsfähig sein kann, bevor der oben erwähnte Schritt 110 beginnt. - In
3 ist für den Fall, dass kein LCD-Display vorhanden ist, eine Abdeckung 150 vorgesehen, die mit einem elektrischen Schalter 152 versehen ist, der mit dem Batteriesteuermodul 57 verbunden ist. Der Schalter 152 erzeugt ein elektrisches Signal ob oder nicht ein Batterieanschluss 154 einer Batterie 66 vorhanden ist. Wenn die Abdeckung 150 geöffnet wird, beginnt das Batteriesteuermodul 57 daher mit einem Ladevorgang. Somit können Hinweise über ein Anzeigelicht oder eine akustische Warnung erfolgen. - Wie ersichtlich ist, wird nur eine Quelle in Form einer 12-Volt-Batterie benötigt, um die 42-Volt-Batterie zu laden. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler wandelt den 12-Volt Ladestrom in eine Spannung und einen Strom um, die in der Lage sind, die 42-Volt-Batterie zu laden. Insbesondere während der Einführungsphase derartiger Fahrzeuge stehen handelsübliche 12-Volt-Batteriesysteme ohne weiteres zur Verfügung, um diese Systeme aufzuladen, wenn die 42-Volt-Batterie entladen ist.
Claims (14)
- Verfahren zum Laden einer Hochspannungsbatterie in einem System für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Niederspannungsbatterie (66) mit Niederspannung und eine Hochspannungsbatterie (64) mit Hochspannung, umfassend: Ermittlung des Ladezustandes der Hochspannungsbatterie (64); Schließen eines Schutzschalters (68) zwischen der Hochspannungsbatterie (64) und einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (60), mittels eines Batteriesteuermoduls (57) bei Feststellung einer Entladung der Hochspannungsbatterie (64); Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einer ersten Niederspannungsquelle und der Niederspannungsbatterie; Umwandeln der Niederspannung in eine Hochspannung; Laden einer Hochspannungsbatterie mit der Hochspannung; Überwachen des Ladezustands der Hochspannungsbatterie; Vergleichen des Ladezustands mit einem vorbestimmten Ladezustand und Erzeugen eines Hinweises, wenn der Ladezustand den vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, wobei der vorbestimmte Ladezustand einem startfähigen Ladezustand entspricht, und wobei der Hinweis dem Betreiber des Fahrzeuges sowohl Instruktionen als auch Informationen über den Ladezustand der beiden Fahrzeugbatterien (64, 66) liefert.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachen des Ladezustands das Messen der Batteriespannung und das Messen des Batteriestroms umfasst. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der startfähige Ladezustand ermöglicht, den Motor (12) mittels eines Starters/Generators (42) zu starten. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines Hinweises das Erzeugen eines sichtbaren Hinweises umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines Hinweises das Erzeugen eines akustischen Hinweises umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin das Erzeugen eines elektrischen Einschaltsignals durch einen mit einem Batterieanschluss (154) verbundenen Schalter (152) geschieht.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter (68) anzeigt, dass die Hochspannungsbatterie (64) geladen wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein zweiter Hinweis erzeugt wird, der anzeigt, dass die Hochspannungsbatterie (64) nicht geladen ist, wenn der Ladezustand geringer als der vorbestimmte untere Grenzwert ist.
- System für ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine Niederspannungsbatterie (66) mit Niederspannung; eine Hochspannungsbatterie (64) mit Hochspannung; wobei die Niederspannungsbatterie (66), eingerichtet ist, mit einer Niederspannungsquelle (65) verbunden zu werden; mindestens einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (60, 62) zwischen der Niederspannungsbatterie (66) und der Hochspannungsbatterie (64); einen Schutzschalter (68) zwischen der Hochspannungsbatterie (64) und der Niederspannungsbatterie (66), der die Hochspannungsbatterie (64) zum Rest des Fahrzeugs elektrisch isoliert sowie eine Steuereinheit (57), die mit der Hochspannungsbatterie (64), der Niederspannungsbatterie (66) und einer Steuereinheit (54) verbunden ist, die die Umwandlung der Niederspannung in eine Hochspannung durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (60, 62) und das Laden der Hochspannungsbatterie (64) steuert, wobei die Steuereinheit den Ladezustand der Hochspannungsbatterie (64) überwacht und den Ladezustand mit einem vorbestimmten Ladezustand vergleicht und die Steuereinheit einen Hinweis erzeugt, wenn der Ladezustand den vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, wobei der Hinweis dem Betreiber des Fahrzeuges sowohl Instruktionen als auch Informationen über den Ladezustand der beiden Fahrzeugbatterien (64, 66) liefert.
- System nach
Anspruch 9 , weiterhin gekennzeichnet durch einen Starter/Generator (42) und einen Anlaufwiderstand, wobei der vorbestimmte Ladezustand eine Funktion der Temperatur und des Anlaufwiderstands ist. - System nach
Anspruch 9 oder10 , weiterhin gekennzeichnet durch eine Batterieanschlussabdeckung (150), die mit einem Batterieanschluss (154) der Niederspannungsbatterie (66) verbunden ist. - System nach
Anspruch 11 , weiterhin gekennzeichnet durch eine Abdeckung, geeignet ein elektrisches Signal zu erzeugen, wenn die Batterieabdeckung (150) sich in einer geöffneten Stellung befindet, wobei das elektrische Signal mit der Steuereinheit (57) gekoppelt ist. - System nach einem der
Ansprüche 9 bis12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungsquelle (66) eingerichtet ist, mit einer weiteren 12V-Quelle (65) verbunden zu werden, vorzugsweise eine 12-Volt-Batterie eines anderen Fahrzeugs, ein Batterieladegerät oder ein 12V-Generator. - Elektrisches Hybridfahrzeug, ausgestattet mit einem System gemäß einem der
Ansprüche 9 bis13 .
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