DE102007056208A1

DE102007056208A1 - Verteiler für ein elektrisches Bordnetz mit einer Luft-Metall-Batterie

Info

Publication number: DE102007056208A1
Application number: DE102007056208A
Authority: DE
Inventors: Hubert Schweiggart; Guenter Reitemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-05-28
Also published as: WO2009065665A2; WO2009065665A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verteiler (1) für ein elektrisches Netz, insbesondere in Kfz-Bordnetzen, mit einem Verteilerknoten (2), an dem wenigstens eine Quelle (3) und mehrere Verbraucher (7) angeschlossen sind. Eine hohe Versorgungssicherheit bei geringem Gewicht und niedrigen Kosten kann sichergestellt werden, wenn der Verteiler (1) einen ersten Energiespeicher (11), dessen einer Pol (12) mit dem Verteilerknoten (2) verbunden ist, sowie einen zweiten Energiespeicher (16) umfasst, der ebenfalls am Verteilerknoten (2) angeschlossen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Verteiler für ein elektrisches Netz, insbesondere ein Kfz-Bordnetz, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Herkömmliche Blei-Säuren-Batterien, wie sie üblicherweise in Kfz-Bordnetzen eingesetzt werden, müssen in der Lage sein, sowohl Bedarfsspitzen der angeschlossenen Verbraucher abzupuffern als auch im Falle eines Batteriedefekts die Verbraucher noch für eine gewisse Zeit mit Energie zu versorgen. Bekannte Kfz-Batterien sind daher als ein Kompromiss zwischen (Puffer-)Leistung und Energieinhalt ausgelegt. Dies hat zur Folge, dass die Batterien relativ groß und schwer dimensioniert sind. Darüber hinaus ist es nicht möglich, in herkömmlichen Kfz-Bordnetzen andere Arten von Energiespeichern, wie z. B. Super-Caps, anstelle der Batterien einzusetzen, da ein Super-Cap zwar eine sehr hohe (Puffer-)Leistung, aber nur eine sehr geringe Energiedichte aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Energieversorgung eines elektrischen Netzes in Bezug auf Gewicht, Größe und Kosten des Energiespeichers zu optimieren.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Verteiler für ein elektrisches Netz zu schaffen, der zwei Energiespeicher umfasst, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei einer der Energiespeicher in Bezug auf seine Pufferfähigkeit und der andere der Energiespeicher in Bezug auf eine möglichst hohe Energiedichte optimiert ist. Der erste Energiespeicher ist somit in der Lage, Bedarfsspitzen abzupuffern, während der zweite Energiespeicher zur Versorgung der Verbraucher in einem Notbetrieb dient. Dadurch wird es möglich, als ersten Energiespeicher beispielsweise einen Super-Cap einzusetzen, der ein besonders geringes Gewicht und eine geringe Baugröße hat, und als zweiten Energiespeicher (Backup-Batterie) einen Energiespeicher mit hoher Energiedichte zu verwenden, wie z. B. eine Metall-Luft-Batterie.
Der erste Energiespeicher, ist vorzugsweise ein Super-Cap, eine Li-Ionen-Batterie, eine Blei-Säure-Batterie oder eine NiMH-Batterie. Der zweite Energiespeicher ist vorzugsweise eine Metall-Luft-Batterie, wie z. B. eine aus dem Stand der Technik bekannte Zink-Luft-, Mg-Luft-Batterie oder Al-Luft. Letztere Batterien haben eine besonders hohe Energiedichte. Sie zeichnen sich außerdem durch eine sehr lange Lagerfähigkeit im inaktiven Zustand, eine sehr hohe Energiedichte und geringe Kosten aus.
Der zweite Energiespeicher (Backup-Batterie) ist im Normalbetrieb vorzugsweise inaktiv, d. h. er liefert keinen Strom in das elektrische Netz. Er wird vorzugsweise erst bei Bedarf automatisch zugeschaltet bzw. aktiviert. Um den zweiten Energiespeicher zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, kann beispielsweise ein Schalter vorgesehen sein. Im Falle einer Metall-Luft-Batterie ist diese – im Normalbetrieb – vorzugsweise luftdicht versiegelt. Da diese Batterie mit dem Sauerstoff aus der Luft arbeitet, ist sie im versiegelten Zustand inaktiv.
Zum luftdichten Versiegeln der Metall-Luft-Batterie kann beispielsweise ein Gehäuse oder eine flexible Hülle vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um den zweiten Energiespeicher automatisch zu aktivieren bzw. deaktivieren. Diese Mittel können beispielsweise einen Schalter zum Ein- bzw. Ausschalten des zweiten Energiespeichers oder, im Falle einer Metall-Luft-Batterie, ein Ventil enthalten, über das die Batterie mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt werden kann.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in der Umhüllung der Metall-Luft-Batterie ein Ventil vorgesehen, mittels dessen die Batterie bei Bedarf mit Umgebungsluft belüftet werden kann. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Sauerstoff-Kapsel (mit zumindest einem Anteil an Sauerstoff) vorgesehen, aus der die Batterie mit Sauerstoff versorgt werden kann.
Der zweite Energiespeicher ist im Normalbetrieb – die Netzspannung liegt im normalen Bereich – vorzugsweise inaktiv und wird im Falle eines Spannungseinbruchs aktiviert.
Der erste und zweite Energiespeicher sind vorzugsweise im Verteiler baulich integriert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verteilers mit integrierten Energiespeichern; und
2 eine spezielle Ausführungsform eines Energiespeichers im Verteiler.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verteilers 1 für ein Kfz-Bordnetz mit zwei Energiespeichern 11, 16, die im Gehäuse des Verteilers 1 integriert sind. Der Verteiler 1 umfasst einen zentralen Verteilerknoten 2, an dem eingangsseitig (in der Darstellung links) beispielhaft zwei Quellen 3a, 3b und ausgangsseitig beispielhaft drei Verbraucher 7a, 7b, 7c angeschlossen sind. Der Verteilerknoten 2 ist dabei als Klemme ausgebildet, die auf dem positiven Pol 12 des Energiespeichers 11 befestigt ist. Bei dem Energiespeicher 11 kann es sich beispielsweise um eine Blei-Säure-Batterie oder einen so genannten Super-Cap handeln. Der Energiespeicher 11 sollte im Bezug auf die Leistungsfähigkeit derart ausgelegt sein, dass im Bordnetz auftretende Bedarfsspitzen gepuffert werden können. Die einzelnen Verbraucher 7a–7c werden somit aus den Quellen 3a, 3b und zusätzlich aus dem ersten Energiespeicher 11 mit elektrischer Leistung versorgt.
Bei dem anderen Energiespeicher 16 handelt es sich vorzugsweise um eine Metall-Luft-Batterie, wie z. B. eine Zink-Luft-, Mg-Luft- oder Al-Luft-Batterie. Dieser Energiespeicher 16 ist derart auszulegen, dass zumindest ein bestimmter Teil der elektrischen Verbraucher 7a–7c im Falle eines Spannungseinbruchs noch für eine gewisse Zeit mit elektrischer Leistung versorgt werden kann. Gerade Metall-Luft-Batterien mit ihrer sehr hohen Energiedichte sind dafür besonders gut geeignet.
Der Energiespeicher 16 ist über eine Diode 5c am Verteilerknoten 2 angeschlossen. Im Normalbetrieb, wenn die Netzspannung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, ist die Metall-Luft-Batterie 16 inaktiv. Es fließt also kein Strom in den Verteilerknoten 2.
Um die Metall-Luft-Batterie 16 zu deaktivieren, ist sie hier mit einer Hülle 17 umgeben, welche sie luftdicht versiegelt. Da Metall-Luft-Batterien Sauerstoff benötigen, kann die Batterie 16 durch Entziehen von Luft deaktiviert werden.
In der Hülle 17 befindet sich ein Einlassventil 18, das im Bedarfsfall, wenn die Bordnetzspannung einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, geöffnet wird. Das Ventil 18 wird hierzu von einem Steuergerät entsprechend angesteuert. Die Metall-Luft-Batterie 16 stellt dann eine elektrische Leistung bereit, mit der die Verbraucher 7a–7c versorgt werden.
An jedem der Energiespeicher 11, 16 ist ferner eine Diagnoseeinrichtung 15 angeschlossen, mittels derer der aktuelle Betriebszustand ständig überwacht wird. Die Diagnoseeinrichtungen 15 sind hier in der Masseleitung angeschlossen und ermitteln aus den Klemmengrößen, insbesondere aus der Batteriespannung und dem Batteriestrom, den aktuellen Betriebszustand der Batterie bzw. des Energiespeichers 16 bzw. 11. Sofern ein Defekt erkannt wird, kann der jeweilige Energiespeicher automatisch abgetrennt werden.
In der Masseleitung der Energiespeicher 11, 16 ist ferner jeweils eine Überlastsicherung 14 vorgesehen, welche den Energiespeicher 11, 16 bei zu hohen Strömen abtrennt und ihn somit vor Überhitzung schützt. Die Abtrennung kann auch aktiv in der Einrichtung 15 integriert werden. Dadurch besteht die Möglichkeit den jeweiligen Energiespeicher 11, 16 zu oder weg zuschalten.
Die Quellen 3a, 3b sind mittels Dioden 5a, 5b, die als Rückstromsicherung dienen, gegeneinander abgesichert. Die Dioden 5a, 5b sind in den Versorgungsleitungen 6a, 6b angeordnet.
Ferner ist in jeder der Leitungen 6a, 6b eine Überspannungssicherung 4a, 4b vorgesehen, die den zentralen Knoten 2 vor Überspannungen schützt. Die Überspannungssicherungen 4a, 4b sind hier als Zener-Dioden realisiert, die gegen Masse geschaltet sind.
Ausgangsseitig (in der Fig. rechts vom Knoten 2) ist in jeder der Vorsorgungsleitungen 10a–10c eine Überstromsicherung 9a–9c vorgesehen. Die Überstromsicherungen 9a–9c verhindern im Falle eines Verbraucher-Defekts einen zu hohen Stromfluss aus dem zentralen Knoten 2 in den betreffenden Verbraucher 7a–7c. Die Sicherungen 9a–9c sind hier als einfache Schmelzsicherungen dargestellt, können aber auch als jede andere bekannte Sicherungseinrichtung realisiert sein. Bei Verwendung von steuerbaren Schaltern können die Verbraucher im Ruhezustand des Systems stromlos geschaltet werden.
Bei solchen Verbrauchern 7a–7c, die im Fehlerfall eine große Menge an Energie in den Knoten 2 zurückspeisen können, ist in der zugehörigen Versorgungsleitung 10a–10c ein zusätzlicher Überspannungsschutz 8a–8c vorgesehen. Dieser kann z. B. mittels Zener-Dioden realisiert werden, wie in gestrichelten Linien dargestellt ist.

Claims

Verteiler (1) für ein elektrisches Netz, insbesondere ein Kfz-Bordnetz, mit einem Verteilerknoten (2), an dem wenigstens eine Energiequelle (3) und mehrere Verbraucher (7) anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (1) einen ersten Energiespeicher (11), dessen einer Pol (12) mit dem Verteilerknoten (2) verbunden ist, sowie einen zweiten Energiespeicher (16) umfasst, der ebenfalls mit dem Verteilerknoten (2) verbunden ist.
Verteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (11) und zweite Energiespeicher (16) im Verteiler (1) baulich integriert sind.
Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (16) eine Metall-Luft-Batterie ist.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energie bzw. Leistungsspeicher (11) ein Super-Cap, eine Bleisäure-, eine NiMH oder Lithium-Batterie ist.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (16) im Normalbetrieb inaktiv und bei Bedarf automatisch aktivierbar bzw. zuschaltbar ist.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (16) mittels einer Umhüllung (17) luftdicht versiegelt ist.
Verteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (17) ein steuerbares Einlassventil (18) aufweist.
Verteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in geschlossenem Zustand des Ventils (18) ein Unterdruck in der Umhüllung (17) herrscht.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoff-Kapsel (19) vorgesehen ist, die zur Aktivierung des zweiten Energiespeichers (16) eingesetzt werden kann.
Verteiler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbares Ventil zum Öffnen bzw. Schließen der Sauerstoff-Kapsel (19) vorgesehen ist.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher aktiviert wird, wenn eine oder mehrere Quellen (3a, 3b) ausgefallen sind oder zu wenig Energie liefern.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (16) aktiviert wird, wenn der erste Energiespeicher (11) degradiert oder ausgefallen ist.
Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (16) aktiviert und der erste Energiespeicher (11) deaktiviert wird, falls letzterer degradiert oder ausgefallen ist.