DE102005015993A1

DE102005015993A1 - Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher

Info

Publication number: DE102005015993A1
Application number: DE102005015993A
Authority: DE
Inventors: Peter Hauler; Hubert Schweiggart; Bernd Aupperle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher angegeben, die bspw. in einem Fahrzeugbordnetz eingesetzt wird und die Verbindung herstellt zwischen einem Energiespeicher, der bspw. als Blei-Säure-Batterie ausgestaltet ist, und einem Leistungsspeicher, der bspw. als Doppelschichtkondensatormodul ausgestaltet ist. Die Koppelvorrichtung umfasst dabei wenigstens einen Schalter (19), insbesondere einen intelligenten Schalter, über den der Energiespeicher (15) bei vorgebbaren Bedingungen, beispielsweise bei hohem Strombedarf, vom Leistungsspeicher (13) entkoppelt wird, wodurch die Zyklisierung des Energiespeichers verringert werden kann. Zusätzlich wird auch der vom Energiespeicher zu liefernde Maximalstrom begrenzt und eine Tiefentladung des Energiespeichers verhindert, wodurch sich die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie verlängern lässt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
In Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Blei-Säure-Batterien als elektrische Ladungsbeziehungsweise Energiespeicher eingesetzt. Diese Blei-Säure-Batterien haben im Allgemeinen eine beschränkte Lebensdauer von maximal sechs Jahren. Sie erreichen damit nicht die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs in dem sie eingebaut sind. Die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterien wird besonders durch die Zahl der Lade- und Entladezyklen bestimmt, also letztendlich durch die Größe des Energiedurchsatzes und außerdem durch Tiefentladungen. Die maximale Zyklenzahl, die eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie durchhält, liegt derzeit bei etwa 1000.

Diese Problematik der begrenzten Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien ist bekannt und es werden daher Fahrzeugbordnetze vorgeschlagen, die neben einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie einen zweiten Ladungsspeicher aufweisen. Dieser zweite Ladungsspeicher ist beispielsweise ein Kondensator mit großer Kapazität. Über eine Koppelschaltung stehen die beiden Ladungsspeicher miteinander in Verbindung. Ein solches Bordnetz, bei dem zwei Ladungsspeicher über ein Koppelelement miteinander in Verbindung stehen, ist bspw. aus der DE 199 03 427 A1 bekannt. Dabei umfasst das Koppelelement bspw. einen Schalter und einen Spannungswandler für den Fall, dass die beiden Ladungsspeicher auf unterschiedlicher Spannung liegen. Als Ladungsspeicher wird einerseits eine Blei-Säure-Batterie und andererseits ein Kondensator eingesetzt. In dem bekannten Fahrzeugbordnetz soll der Kondensator bevorzugt geladen werden, damit er die für den Startfall benötigte elektrische Energie zuverlässig zur Verfügung stellen kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher hat den Vorteil, dass sie die Zyklisierung der eingesetzten Blei-Säure-Batterie stark minimiert und damit die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie erheblich verlängert. Erzielt wird dieser Vorteil, indem das Koppelelement zwischen den beiden Ladungsspeichern so ausgestaltet ist, dass es wenigstens ein Schaltmittel umfasst, das so arbeitet, dass die benötigte elektrische Leistung vorzugsweise aus dem als Leistungsspeicher arbeitenden Kondensator bezogen wird und der zweite Ladungsspeicher die Blei-Säure-Batterie ist, die als Energiespeicher arbeitet und für kurzfristige Leistungsanforderungen nicht zugeschaltet wird.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass der Schalter als intelligenter Schalter ausgestaltet ist, der bei vorgebbaren Bedingungen selbsttätig öffnet oder schließt. Durch Einsatz einer vorteilhaften Überstromabschaltung wird vermieden, dass aus der den Energiespeicher darstellenden Blei-Säure-Batterie zu hohe Ströme entnommen werden. In vorteilhafter Weise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung noch eine Unterspannungsabschaltung, die den Schalter bei erkannter Unterspannung öffnet. Damit wird auch sichergestellt, dass die Batterie vor Tiefentladungen bewahrt wird, indem bei einer vorgebbaren bzw. gewissen Unterspannung die Leistungsverbraucher und der andere Leistungsspeicher weggeschaltet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst eine Zwangseinschaltung, die den Schalter bei vorgebbaren Bedingungen wieder schließt. In vorteilhafter Weise ist der Schalter als Bipolarschalter oder als Transistor ausgeschaltet. Eine Diode liegt parallel zum ersten Schalter, wobei die Polarität der Diode so gewählt ist, dass ein Strom vom Leistungsspeicher zum Energiespeicher auch bei geöffnetem Schalter fließen kann. An Stelle der Diode kann auch ein weiterer Schalter eingesetzt werden, der so angesteuert wird, dass er die gleiche Funktion wie die Diode hat. In vorteilhafter Ausgestaltung kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Abwärts-Gleichspannungswandler erhalten werden.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung
In der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eines Fahrzeugbordnetzes. Im Einzelnen sind dies der Generator 10, der Starter 11, der über den Startschalter 12 mit einem ersten Ladungsspeicher 13 verbindbar ist. Dieser Ladungsspeicher 13 ist ein Leistungsspeicher, bspw. ein Doppelschichtkondensatormodul. Der Ladungsspeicher 13 steht über die Koppelvorrichtung 14 mit der Batterie 15 in Verbindung. Die Batterie 15 ist dabei die herkömmliche Blei-Säure-Batterie des Bordnetzes, die als Energiespeicher anzusehen ist und an die bestimmte elektrische Verbraucher 26 des Bordnetzes insbesondere über Schaltmittel 27 anschließbar sind. Auch ein anderer chemischer Speicher mit niedriger Leistung ist einsetzbar. Die Verbraucher, die an die Blei-Säure-Batterie anschließbar sind, sind vorzugsweise solche mit geringer Leistungsaufnahme, insbesondere Langzeitverbraucher. Hochstromverbraucher wie beispielsweise der Starter sind dagegen an den Leistungsspeicher 13 zuschaltbar.
Zwischen der Koppelschaltung 14 und der Batterie 15 liegt eine Induktivität 16 und parallel zu dieser eine Diode 17. Eine weitere Diode 18 liegt zwischen der Induktivität 16 und Masse. Die Induktivität 16, die Dioden 17 und die Koppelschaltung 14 bilden einen Spannungswandler, mit dessen Hilfe die Ladespannung für die Batterie 15 an vorgebbare Bedingungen anpassbar ist. Die Diode 18 bildet einen Freilauf beim Laden der Batterie 15.
Die Koppelvorrichtung 14 umfasst wenigstens ein Schaltmittel, insbesondere einen Schalter 19, vorteilhafter Weise einen intelligenten Schalter, der in der Verbindungsleitung zwischen der Batterie 15 bzw. der Induktivität 16 und dem Ladungsspeicher 13 angeordnet ist. Der in dieser Leitung fließende Strom I wird mit Hilfe eines Sensors 20 gemessen, wobei die Messergebnisse in der Überstromabschaltung 21 verarbeitet werden. Über ein Ansteuersignal 22 wird bei Überstrom der Schalter 19 geöffnet. Parallel zum Schalter 19 und zur Überstromabschaltung 21 liegt eine Diode 23, über die ein Stromfluss vom Ladungsspeicher 13 zur Batterie 15 auch dann möglich ist, wenn der Schalter l9 geöffnet ist.
Eine Unterspannungsabschaltung 24 steht mit dem Schalter 19 in Verbindung und öffnet diesen bei erkannter Unterspannung an der Batterie 15. Eine Zwangseinschaltung 25 kann bei vorgebbaren Bedingungen, beispielsweise Unterspannung auf Bordnetzseite, den Schalter 19 schließen. Anstelle der Diode 23 kann auch ein Schalter 23a vorgesehen werden, der dann so anzusteuern ist, dass er in seiner Funktion der Funktion der Diode 23 entspricht und leitend ist, sofern ein Strom vom Leistungsspeicher bzw. Kondensator 13 zu Energiespeicher 15, also der Blei-Säure-Batterie fließen soll.
Für das in der Figur dargestellte Bordnetz mit zwei Ladungsspeichern, insbesondere einem Leistungsspeicher 13 und einem Energiespeicher 15 sowie der dazwischenliegenden Koppelvorrichtung 14 kann die Energie- beziehungsweise Leistungsverteilung im Bordnetz so beeinflusst werden, dass die Zyklisierung der Batterie 15 stark verringert wird und damit ihre Lebensdauer erheblich verlängert wird. Dies ist möglich, da mit Einführung von geeigneten Leistungsspeichern wie bspw. Doppelschichtkondensatoren l3 und der Koppelschaltung 14 der Energiedurchsatz durch die Batterie 15 erheblich vermindert werden kann, indem die kurzfristig benötigte und hohe Leistung nur aus dem Leistungsspeicher entnommen wird.
Durch die Überstromabschaltung kann weiterhin der maximale Entladestrom, der die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt, deutlich begrenzt werden. Wenn die Batteriespannung unter einem bestimmten Spannungswert von bspw. 11 Volt liegt, kann diese über die Unterspannungsabschaltung 24 frei geschaltet werden. Leistungsspitzen und Tiefentladungen auf die Batterie werden dadurch weitgehend verhindert. Wird dagegen die Batterie bei Einspeisung vom Generator und von der Bordnetzspannung von bspw. mehr als 13,5 Volt geladen, kann dies bei geöffnetem Schalter 19 über die Diode 23 bzw. dem Schalter 23a erfolgen.
Die Koppelschaltung 14 ist sehr einfach aufgebaut und benötigt keinen Rechnerkern. Sie besteht im Wesentlichen aus einer intelligenten Endstufe mit variabler Strombegrenzung 21, einer Spule 16 und gegebenenfalls mehreren nicht näher dargestellten Tiefpässen und umfasst weiterhin zwei Schwellenkomparatoren mit Hysteresen, die beispielsweise Bestandteil der Unterspannungsabschaltung 24 bzw. der Zwangseinschaltung 25 sind. Die Wahl der Spannungsschwellen soll so erfolgen, dass eine gewünschte Betätigung des Schalters 19 erfolgt. Durch die Hysterese der Schwellenkomparatoren der Unterspannungsabschaltung 24 bzw. der Zwangsabschaltung 25 wird sichergestellt, dass die Rückschaltung erst wieder bei geeigneten einstellbaren Spannungen erfolgt. Über die Wahl der Schwellwerte bzw. des Schaltpegels der Unterspannungsabschaltung 24 kann eine günstige Minimalspannung der Batterie, abgesehen während der Zwangsabschaltung eingehalten werden. Über die Wahl der Schalthysterese der Zwangseinschaltung 25 kann der Leistungsspeicher 13 so weit aufgeladen werden, dass alle an ihn angeschlossenen Leistungsverbraucher ihre geforderte Funktion, auch bei gleichzeitigem Einschalten, erfüllen können und dass in jedem Fall ein sicherer Start des Motors gewährleistet ist.
In der beschriebenen Schaltung ist ein Abwärts-Gleichspannungswandler integriert und durch die Unterspannungsschwelle bzw. durch Wahl einer geeigneten Unterspannungsschwelle für die Zwangseinschaltung lässt sich eine minimale Spannung für den Leistungsspeicher vorgeben.
Das Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher, insbesondere zweier verschiedenartiger Ladungsspeicher, wird wie folgt durchgeführt:
Wird ein Leistungsverbraucher im Bordnetz aktiviert, beispielsweise der Starter 11 oder ein sonstiger Hochleistungsverbraucher, der an den beispielsweise als Doppelschichtkondensatormodul ausgestalteten Leistungsspeicher 13 angeschlossen werden kann, erkennt der intelligente Schalter 19 bzw. die intelligente Endstufe mit dem Schalter 19 auf Überstrom und schaltet für eine gewisse Zeit, beispielsweise für 2 sec ab. Das Erkennen, dass ein Überstrom vorliegt, wird beispielsweise über die Auswertung der Ergebnisse des Sensors 20 zur Strommessung vorgenommen und auf Überstrom erkannt, wenn der gemessene Strom höher ist als ein vorgebbarer Maximalstrom. Auch andere Möglichkeiten der Überstromerkennung sind möglich.
Hohe Energie, die über eine kurze Zeit benötigt wird, beziehungsweise hohe Leistung, insbesondere zum Starten eines Motors wird dann bei geöffnetem Schalter 19 ganz aus dem Leistungsspeicher 13, insbesondere einem Doppelschichtkondensatormodul entnommen. Die Batterie 15 wird dabei nicht belastet. Ein solcher Doppelschichtkondensator kann für eine Zyklenzahl von bis zu 500.000 ausgelegt werden, damit ist er für die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt. Nach einer gewissen Zeit nach Betätigung des Anlassers oder wenn der starke Verbraucher wieder abgeschaltet wird, wird die Batterie 15 über den Schalter 19 wieder zugeschaltet. Liegt der Stromfluss unter der Überstromschwelle, bleibt der Schalter geschlossen. Ist der Stromfluss größer, wird die Batterie 15 durch Öffnen des Schalters 19 erneut vom Leistungsbordnetz getrennt.
Bei einer Unterspannung der Batterie 15 von beispielsweise weniger als 11 Volt wird diese freigeschaltet, d.h. der Schalter 19 ist geöffnet und stellt keine Verbindung zwischen der Batterie 15 und dem Doppelschichtkondensatormodul 13 her. Steigt die Bordnetzspannung wieder über 13 Volt, wird die Batterie 15 wieder zugeschaltet. Sinkt dagegen die Bordnetzspannung unter ein bestimmtes Limit von beispielsweise 7 Volt, wird der Doppelschichtkondensator durch Takten, auch bei einer Spannung der Batterie von weniger als 11 Volt, also auch bei Unterspannung zwangsaufgeladen, um beispielsweise ein erneutes Starten des Motors mit Hilfe des Starters 11 möglich zu machen.
Eine Aufladungsregelung, die über das Koppelglied 14, die Unterspannungsabschaltung 24 die Zwangseinschaltung 25 und die Spule 16 mit der Diode 17 realisiert wird, die bei einer ausreichenden Spannung der Batterie 15 von beispielsweise mehr als 11 Volt dem Leistungsspeicher 13 einen geregelten Strom aus der Batterie 15 liefert. Der Strom wird über den Stromsensor 20 erfasst. Der Abschaltpunkt wird durch eine geeignete Überstromschwelle definiert, wobei dann abgeschaltet wird, wenn der erfasste Strom die Überstromschwelle erreicht. Die Wiedereinschaltung erfolgt nach einer gewissen Zeit, die beispielsweise über ein Zeitglied einstellbar ist, in einem festen Zeitraster.
Die Batterie 15 kann getaktet oder im Dauerstrich bei einer günstigen Spannung am Generator 10 und Leistungsspeicher 13 geladen werden, wobei die zugehörige Spannung eingestellt werden kann, beispielsweise auch mit einer Hysterese zwischen Ein- und Abschaltung. Der maximale Ladestrom kann über die Überstromabschaltung begrenzt werden, Voraussetzung ist dabei die Umpolung des Sensorelements des Stromsensors 20.

Claims

Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, mit wenigstens einem Schaltmittel zum Trennen oder Verbinden der beiden Ladungsspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Überstromabschaltung vorhanden ist, die die Schaltmittel bei vorgebbarem Überstrom öffnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Strommessung vorhanden sind, insbesondere ein Stromsensor (20) vorhanden, die mit der Überstromerkennung (21) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel vorhanden sind, die die Schaltmittel (19) abhängig vom Energie- bzw. Leistungsbedarf im Bordnetz in vorgebbare Stellung versetzten können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (19) zusätzlich mit einer Unterspannungsabschaltung (24) und/oder einer Zwangseinschaltung (25) in Verbindung stehen und von diesen bei vorgebbaren Bedingungen betätigt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (19) einen intelligenten Schalter umfassen, der wenigstens mit der Unterspannungsabschaltung (24) und/oder einer Zwangseinschaltung 25 zusammen wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromabschaltung (21) und/oder die Unterspannungsabschaltung (24) und/oder die Zwangseinschaltung (25) Schwellenkomparatoren, insbesondere Schwellenkomparatoren mit Hysterese umfassen, wobei die Schwellen durch vorgebbare Spannungen gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterspannungsabschaltung (24) bei einer vorgebbaren Mindestspannung der Batterie (15) die Schaltmittel (19) öffnet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwangseinshaltung die Schaltmittel (19) bei vorgebbaren Bedingungen schließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher (15) ein Energiespeicher ist, insbesondere eine Blei-Säure-Batterie und/oder dass der Ladungsspeicher (13) ein Leistungsspeicher ist, insbesondere ein Doppelschichtkondensatormodul.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hochstromverbraucher mit dem Leistungsspeicher 13 und Dauerverbraucher mit dem ein Energiespeicher (15) verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Schaltung ein Abwärts-Gleichspannungswandler realisiert ist, mit einer Unterspannungsschwelle, die die minimale Spannung für den Leistungsspeicher (13) vorgibt.
Verfahren zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (19) nach vorgebbaren Kriterien so betätigt wird, dass der Energiedurchsatz durch den Ladungsspeicher (15) vermindert wird und der maxmale Entla destrom von dem Ladungsspeicher (15) auf vorgebbare, insbesondere geringe Werte begrenzt wird.
Verfahren zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (15) vor Tiefentladung bewahrt wird, indem bei einer vorgebbaren Unterspannung die Leistungsverbraucher und der Leistungsspeicher (13) weggeschaltet werden.
Verfahren zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufladungsregelung, erfolgt, die über das Koppelglied (14), die Unterspannungsabschaltung (24) die Zwangseinschaltung (25) und die Spule (16) mit der Diode (17) realisiert wird und die bei einer ausreichenden Spannung der Batterie (15) von insbesondere mehr als 11 Volt dem Leistungsspeicher (13) einen geregelten Strom aus der Batterie (15) liefert.
Verfahren zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewünschte Minimalspannung der Batterie (15) über die Wahl des Schaltpegels der Unterspannungsabschaltung (24) erfolgt.
Verfahren zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom wird über den Stromsensor (20) erfasst wird und der Abschaltpunkt durch eine geeignete Überstromschwelle definiert wird, wobei dann abgeschaltet wird, wenn der erfasste Strom die Überstromschwelle erreicht und die Wiedereinschaltung nach einer gewissen Zeit, die beispielsweise über ein Zeitglied einstellbar ist oder in einem festen Zeitraster erfolgt.
Verfahren zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Kopplung zweier Ladungsspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (15) getaktet oder im Dauerstrich bei einer günstigen Spannung am Generator (10) und Leistungsspeicher (13) geladen wird, wobei die zugehörige Spannung ein gestellt wird, insbesondere mit einer Hysterese zwischen Ein- und Abschaltung und der maximale Ladestrom über die Überstromabschaltung begrenzt wird.