DE102010001238A1

DE102010001238A1 - Batteriesystem für Kraftfahrzeuge mit Hochleistungsverbrauchern

Info

Publication number: DE102010001238A1
Application number: DE102010001238A
Authority: DE
Inventors: Holger 70567 Fink
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch Battery Systems GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-07-28
Also published as: TW201141008A; WO2011091913A3; WO2011091913A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, wobei das Batteriesystem wenigstens ein Niederspannungsbordnetz und ein Bordnetz mit erhöhter Spannung aufweist. Das Niederspannungsbordnetz umfasst wenigstens eine Anlasserbatterie (10), welche ausgebildet ist, eine erste Spannung zu erzeugen und an das Niederspannungsbordnetz auszugeben, und einen mit der Anlasserbatterie (10) verbundenen oder verbindbaren Anlasser (11), welcher ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung umfasst wenigstens einen elektrischen Generator (13-2), welcher von dem Verbrennungsmotor betreibbar und ausgebildet ist, eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung ist dabei mit dem Niederspannungsbordnetz über eine Koppeleinheit (15) verbunden, welche ausgebildet ist, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zuzuführen. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Batteriesystem.

Description

Die Erfindung geht von Batteriesystemen für Kraftfahrzeuge aus, welche eine Vielzahl verschiedenartiger elektrischer Verbraucher mit einer einheitlichen Betriebsspannung versorgen. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Batteriesystem.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein sogenanntes Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 14 V betrieben wird (siehe 1). Beim Starten des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) wird eine vom Ladezustand einer für die Versorgung vorgesehenen Starterbatterie 10 abhängige Spannung über das Bordnetz einem Starter 11 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor startet (im Beispiel der 1: wenn durch ein entsprechendes Startersignal der Schalter 12 geschlossen wird). Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13-1 („Lichtmaschine”) an, welcher dann eine Spannung von etwa 14 V erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14-1 im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13-1 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
Ein Problem bei zeitgemäß ausgestatteten Kraftfahrzeugen ist nun, dass bei einem bei 14 V betriebenen Bordnetz die Versorgung von elektrischen Hochleistungsverbrauchern wie beispielsweise elektrischen Klimakompressoren oder elektrischen Heizsystemen problematisch ist, weil diese Verbraucher aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Spannung mit sehr hohen Strömen gespeist werden müssen, um die erforderliche Leistung zur Verfügung stellen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Ein erster Erfindungsaspekt führt ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ein, wobei das Batteriesystem wenigstens ein Niederspannungsbordnetz und ein Bordnetz mit erhöhter Spannung aufweist. Das Niederspannungsbordnetz umfasst wenigstens eine Anlasserbatterie, welche ausgebildet ist, eine erste Spannung zu erzeugen und an das Niederspannungsbordnetz auszugeben, und einen mit der Anlasserbatterie verbundenen oder verbindbaren Anlasser, welcher ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung umfasst wenigstens einen elektrischen Generator, welcher von dem Verbrennungsmotor betreibbar und ausgebildet ist, eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung ist dabei mit dem Niederspannungsbordnetz über eine Koppeleinheit verbunden, welche ausgebildet ist, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zuzuführen.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem bzw. Bordnetz eignet sich vorteilhafterweise besser für die Speisung von Hochleistungsverbrauchern.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass durch das Niederspannungsbordnetz weiterhin elektrische Verbraucher betrieben werden können, die auf eine niedrige (erste) Spannung ausgelegt sind. Für Hochleistungsverbraucher steht jedoch das Bordnetz mit erhöhter Spannung zur Verfügung, welches aufgrund der höheren zweiten Spannung die Hochleistungsverbraucher mit geringeren Strömen versorgen kann. Der elektrische Generator ist erfindungsgemäß im Bordnetz mit erhöhter Spannung angeordnet und versorgt dieses nach erfolgtem Starten des Verbrennungsmotors mit elektrischer Energie, welche wenigstens teilweise auch dem Niederspannungsbordnetz zum Aufladen der Anlasserbatterie und zur Versorgung der Verbraucher im Niederspannungsbordnetz zugeführt werden kann. Die Anordnung des elektrischen Generators im Bordnetz mit erhöhter Spannung hat dabei den Vorteil, dass die elektrische Energie im Bordnetz mit erhöhter Spannung erzeugt wird, wo auch die Verbraucher mit der größten Leistungsaufnahme angeordnet sind. Nur ein Teil der elektrischen Energie muss über die Koppeleinheit dem Niederspannungsbordnetz zugeführt werden, was den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung verbessert. Die Anlasserbatterie ist wiederum erfindungsgemäß im Niederspannungsbordnetz angeordnet, um den Anlasser mit den für das Starten notwendigen großen Strömen ohne störende Zwischenkomponenten versorgen zu können.
Besonders bevorzugt wird ein Batteriesystem, bei dem die Anlasserbatterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist. Lithium-Ionen-Batterien können einen größeren Energiebetrag in einem gegebenen Volumen speichern als beispielsweise Bleibatterien. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Koppeleinheit elektrische Energie aus dem Bordnetz mit erhöhter Spannung nach einem erfolgten Start des Verbrennungsmotors dem Niederspannungsbordnetz zuführt und so als Ladegerät für die Anlasserbatterie fungiert. Die Anlasserbatterie muss in dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in besonderer Weise aufgeladen werden, weil sie als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt und daher empfindlich gegen Überspannungen ist.
Das Bordnetz mit erhöhter Spannung kann wenigstens einen Hochleistungsverbraucher, beispielsweise einen elektrischen Klimakompressor, ein elektrisches Heizsystem oder einen Elektromotor, aufweisen. Das Niederspannungsbordnetz kann wenigstens einen Niederleistungsverbraucher, beispielsweise ein Navigationsgerät, aufweisen.
Bevorzugt weist das Bordnetz mit erhöhter Spannung eine Spannungsglättungseinrichtung, insbesondere einen Pufferkondensator (17) oder eine Pufferbatterie, auf, welche die vom elektrischen Generator erzeugte zweite Spannung im Bordnetz mit erhöhter Spannung glättet.
Bevorzugt ist die Koppeleinheit ein DC/DC-Konverter, welcher besonders bevorzugt als Tiefsetzsteller ausgeführt ist.
Die erste Spannung kann zwischen 10 V und 15 V betragen. Dieser Spannungsbereich garantiert Kompatibilität mit einer Vielzahl von im Kraftfahrzeugbau verfügbaren elektrischen Systemen.
Die zweite Spannung beträgt bevorzugt zwischen 24 V und 45 V. Dieser Spannungsbereich erlaubt eine vereinfachte Versorgung von Hochleistungsverbrauchern mit der benötigten elektrischen Leistung, ohne jedoch die Spannung so weit zu heben, dass im Reparaturfall eine Gefährdung von Wartungspersonal oder im Fall eines Unfalls von Rettungspersonal oder Fahrzeuginsassen durch hohe Spannungen besteht. Indem die zweite Spannung etwa zwischen dem Doppelten bis Dreifachen der ersten Spannung beträgt, ist zudem die Kopplung des Bordnetzes mit erhöhter Spannung mit dem Niederspannungsbordnetz einfach möglich, eine Umsetzung der zweiten Spannung in die erste Spannung kann mit einem guten Wirkungsgrad erfolgen.
Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Batteriesystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche bzw. ähnliche Elemente. Es zeigen:
1 ein Batteriesystem nach dem Stand der Technik; und
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Eine Anlasserbatterie 10, welche vorzugsweise als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist, versorgt ein Niederspannungsbordnetz mit einer Spannung von bevorzugt 10 V bis 15 V, wobei die genaue Spannung abhängig vom Ladezustand der Anlasserbatterie 10 ist. Mit der Anlasserbatterie 10 verbunden ist ein Anlasser 11, welcher ausgebildet ist, einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zu starten. In Serie geschaltet mit dem Anlasser 11 ist ein Schalter 12, welcher durch ein Startersignal gesteuert wird. Wird der Schalter 12 geschlossen, wird der Anlasser 11 aktiviert und ein Strom fließt von der Anlasserbatterie 10 durch den Anlasser 11. Parallel zum Anlasser 11 können noch weitere elektrische (Niederleistungs-)Verbraucher 14-2 vorgesehen sein, welche für einen Betrieb bei der Spannung von 10 V bis 15 V ausgelegt sind. Ein Beispiel für solche elektrischen Verbraucher ist ein Navigationsgerät und dergleichen. Das Niederspannungsbordnetz ist über eine im Beispiel als DC/DC-Umsetzer ausgeführte Koppeleinheit 15 mit einem Bordnetz mit erhöhter Spannung verbunden. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung wird von einem elektrischen Generator 13-2 versorgt, welcher vom (gestarteten) Verbrennungsmotor betrieben wird und ausgebildet ist, eine Spannung von bevorzugt 24 V bis 45 V zu erzeugen. Die Koppeleinheit 15 ist ausgebildet, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zur Verfügung zu stellen, wodurch die Anlasserbatterie 10 wiederaufgeladen wird und den elektrischen Verbrauchern 14 die für den Betrieb notwendige Leistung zur Verfügung gestellt wird. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung enthält hingegen solche elektrischen Verbraucher, die eine verhältnismäßig hohe elektrische Leistung aufnehmen und daher einfacher aus einer höheren, erfindungsgemäß vom elektrischen Generator 13-2 erzeugten Spannung betrieben werden, um die notwendigen Ströme zu senken. In 2 sind solche Hochleistungsverbraucher 16 beispielhaft dargestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um elektrische Klimakompressoren oder Heizsysteme handeln. Vorzugsweise enthält das Bordnetz mit erhöhter Spannung eine Einrichtung zur Spannungsglättung, welche die Aufgabe hat, die vom elektrischen Generator 13-2 erzeugte, üblicherweise recht wellige Spannung zu glätten. Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Spannungsglättung als Pufferkondensator ausgeführt.
Die Erfindung stellt so ein Bordnetz bzw. Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor zur Verfügung, welches sich für die Speisung von Hochleistungsverbrauchern besser eignet als Lösungen gemäß dem Stand der Technik.

Claims

Ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, das Batteriesystem wenigstens aufweisend: ein Niederspannungsbordnetz mit wenigstens einer Anlasserbatterie (10), welche ausgebildet ist, eine erste Spannung zu erzeugen und an das Niederspannungsbordnetz auszugeben, und einem mit der Anlasserbatterie (10) verbundenen oder verbindbaren Anlasser (11), welcher ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten; und ein Bordnetz mit erhöhter Spannung mit wenigstens einem elektrischen Generator (13-2), welcher von dem Verbrennungsmotor betreibbar und ausgebildet ist, eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben, wobei das Bordnetz mit erhöhter Spannung mit dem Niederspannungsbordnetz über eine Koppeleinheit (15) verbunden ist, welche ausgebildet ist, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zuzuführen.
Das Batteriesystem nach Anspruch 1, bei dem die Anlasserbatterie (10) eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Das Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Bordnetz mit erhöhter Spannung wenigstens einen Hochleistungsverbraucher (16), beispielsweise einen elektrischen Klimakompressor, ein elektrisches Heizsystem oder einen Elektromotor, aufweist.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Niederspannungsbordnetz wenigstens einen Niederleistungsverbraucher (14-2), beispielsweise ein Navigationsgerät, aufweist.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bordnetz mit erhöhter Spannung eine Spannungsglättungseinrichtung, insbesondere einen Pufferkondensator (17) oder eine Pufferbatterie, aufweist.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Koppeleinheit (15) ein DC/DC-Konverter ist.
Das Batteriesystem nach Anspruch 6, bei dem der DC/DC-Konverter ein Tiefsetzsteller ist.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Spannung zwischen 10 V und 15 V beträgt.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Spannung zwischen 24 V und 45 V beträgt.
Ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.