DE102011012958A1

DE102011012958A1 - Energiespeichersystem mit einem Lithium-Ionen-Kondensator

Info

Publication number: DE102011012958A1
Application number: DE102011012958A
Authority: DE
Inventors: Ing. Winkler Josef
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012104036A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer aufladbaren Batterie (1) und mindestens einem hierzu parallel geschalteten Kondensator (2), wobei als Kondensator (2) ein Lithium-Ionen-Kondensator verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer aufladbaren Batterie und mindestens einem hierzu parallel geschalteten Kondensator.
Beim Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnungen mit einer Parallelschaltung von Batterie und Kondensator werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Zuverlässigkeit beim Anlassen des Motors zu erhöhen. Durch den parallel geschalteten Kondensator können auch dann noch die für den Anlasser des Motors benötigten hohen Stromstärken aufgebracht werden, wenn die Batterie selbst bereits zu stark entladen ist. Hierbei wird die Eigenschaft des Kondensators, kurzzeitig hohe Stromstärken bereitstellen zu können, ausgenutzt.
In der DE 43 40 350 A1 wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, bei der eine Logikschaltung einen Startvorgang des Motors für eine vorab festgelegte Zeitspanne unterbindet, wenn die an der Batterie des Fahrzeugs anliegende Spannung einen definierten Grenzwert unterschreitet. Während der Unterbrechung wird der zur Batterie parallel geschaltete Kondensator mit dem schwachen Reststrom der Batterie geladen. Anschließend kann ein Startvorgang mit Hilfe des vom Kondensator gelieferten Stroms erfolgen, wobei die Stromstärke dazu ausreicht, den Anlasser zu betätigen. Bei dieser Variante ist der Kondensator in der Regel außer Betrieb. Er wird nur beim Starten bei Unterschreitung des genannten Spannungsgrenzwertes aktiv geschaltet.
Als Alternative wird in der DE 43 40 350 A1 genannt, den Kondensator in gewissen zeitlichen Abständen bei fahrendem Fahrzeug kurzzeitig zu laden. Hierdurch wird erreicht, dass der Kondensator beim Abstellen des Fahrzeugs in der Regel schon ausreichend geladen ist. Nachteil der geschilderten Schaltanordnung ist das Fehlen einer Stromstärkenbegrenzung, wodurch es, z. B. bei einem sogenannten Jump-Start oder durch Verpolen beim Fremdstart, zur Zerstörung des Kondensators kommen kann.
Eine Stromstärkenbegrenzung ist in der gattungsgemäßen Schaltanordnung der EP 0 412 631 B2 bereits vorgesehen. Darüber hinaus schlägt diese Schrift auch eine Möglichkeit zur Entkopplung von Batterie und Kondensator mittels Zenerdiode und Relaisschalter für den Fall vor, dass die Spannung über den Kondensator einen Vorgabewert überschreitet. Zur Stromstärkenbegrenzung ist ein elektrischer Widerstand vorgesehen. Die Schaltungsanordnung der EP 0 412 631 B2 hat den Nachteil, dass durch den Begrenzungswiderstand sehr hohe Verluste entstehen. Die am Widerstand dadurch entstehende Wärme muss über geeignete Kühlungsmaßnahmen abgeführt werden, was sich insgesamt als sehr ungünstig für den Einsatz in Kraftfahrzeugen darstellt.
Aufgabenstellung
DE 10 2004 038 527 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer aufladbaren Batterie und mindestens einem hierzu parallel geschalteten Kondensator, wobei die Batterie über eine Einrichtung zur Entkopplung und zur Stromstärkenbegrenzung mit dem Kondensator verbunden ist und die Einrichtung dazu geeignet ist, eine Stromstärke durch Zuführung eines getakteten Signals, insbesondere durch hochfrequente Taktung, zu begrenzen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Als Kondensator wird demnach ein Lithium-Ionen-Kondensator verwendet.
Bevorzugt ist vorgesehen, den Stromfluss mittels einer geeigneten Einrichtung durch Zuführung eines getakteten Signals, insbesondere durch hochfrequentes Takten, zu begrenzen. In der Regel erfolgt die Begrenzung, wenn die Stromstärke eine vorher festgelegte Belastungsgrenze der Schaltungsanordnung überschreitet. Durch diese Verfahrensweise erfolgt die Strombegrenzung weitgehend verlustlos, womit auch eine unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden ist und keine Vorkehrungen zum Abführen von Wärme getroffen werden müssen.
Vorzugsweise kann die Einrichtung zur Entkopplung und zur Begrenzung der Stromstärke z. B. unter Verwendung mindestens eines MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ausgebildet werden. Besonders bevorzugt ist, wenn diese Einrichtung mindestens zwei in Reihe geschaltete MOS-FETs aufweist.
Bevorzugt wird dem Kondensator ein Anlasser zum Starten einer Brennkraftmaschine (eines Motors) parallel geschaltet. Der Vorteil einer solchen Entkopplung des Kondensators in Verbindung mit dem Anlasser liegt darin, dass trotz eines eventuellen Entladens der Batterie durch Ruheströme, Standverbraucher oder dergleichen ein Starten des Motors weiterhin möglich ist.
Des Werteren sieht eine andere günstige Ausführungsform aber auch vor, eine Benzinpumpe dem Kondensator parallel zu schalten. Hierdurch wird erreicht, dass die Spannung spannungssensitiver Verbraucher, wie beispielsweise der Benzinpumpe, des Lichts, des Gebläses und/oder des Radios, vom Bordnetz entkoppelt ist, wodurch die Benzinpumpe trotz des Einbruchs der Bordnetzspannung beim Start des Motors noch genügend Benzindruck aufbringen kann.
Ausführungsbeispiel
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beigelegten Figur.
Die schematisierte Darstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer aufladbaren Batterie 1 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 2, der als Lithium-Ionen-Kondensator ausgebildet ist. Batterie 1 und Kondensator 2 sind über eine Einrichtung 3 zur Entkopplung und zur Begrenzung der Stromstärke miteinander verbunden. Zum Laden der Batterie 1 und gegebenenfalls des Kondensators 2 ist ein Generator 7 zur Batterie 1 parallel geschaltet. Auf der hierzu gegenüberliegenden Seite der Einrichtung 3 ist dem Kondensator ein Anlasser 8 parallel geschaltet, welcher mittels eines Schalters 10 an- und ausgeschaltet werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann aber in einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel auch eine Benzinpumpe mit Strom versorgt werden. In diesem Fall wird der Starter 8 im Schaltbild der Figur durch die Benzinpumpe ersetzt. Mit dem Bezugszeichen 9 sind stark schematisiert mögliche weitere Verbraucher der Schaltungsanordnung angedeutet, welche gegebenenfalls durch den Schalter 11 an- und ausgestellt werden können.
Durch die Einrichtung 3 ist es sowohl möglich, die Batterie 1 vom Kondensator 2 sowie die auf den jeweiligen Seiten der Einrichtung 3 angeordneten Elemente wie Generator 7 und Anlasser 8 voneinander zu entkoppeln, als auch die maximale Stromstärke zu begrenzen. Darüber hinaus erlaubt die gezeigte Einrichtung 3 die Entkopplung in beiden Stromrichtungen 12. Die Einrichtung 3 ist als eine MOS-FET Schaltung mit zwei in Reihe geschalteten MOS-FETs 4 und einer Ansteuerlogik 6 mit Shunt 5 ausgebildet. Sie ist erfindungsgemäß dazu geeignet, die Stromstärke weitgehend verlustlos durch hochfrequente Taktung zu begrenzen. Eine Serienschaltung einer Diode 13 und eines Widerstands 14, die zu den beiden Halbleiterschaltern 4 parallel geschaltet ist, dient der Kompensation der Kondensatorselbstentladung. Der Widerstand 14 wird hierbei so gewählt, dass einerseits ein Strom zum Ausgleich der Selbstentladung des Kondensators fließen kann, andererseits aber nur eine geringe Verlustleistung entsteht. Bevorzugt beträgt der Wert des Widerstands 14 zwischen 100 Ω und 10 kΩ, insbesondere 1 kΩ.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 3 ist es z. B. möglich, den Kondensator 2 ausschließlich zum Betrieb des Anlassers 8 oder gegebenenfalls der Benzinpumpe zu verwenden. Das Aufladen des Kondensators 2 geschieht nur, wenn die vom Generator 7 gelieferte Spannung höher als die Kondensatorspannung ist. Eine Entladung des Kondensators ins Bordnetz kann ebenfalls gesteuert und unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen werden, z. B. bei kurzzeitigem Spannungseinbruch auf Bordnetzseite (Batterieseite) unter einen bestimmten Wert. Dies kann z. B. bei plötzlich erhöhtem Stromkonsum der Verbraucher 9 auftreten. Bei Über- oder Verpolspannung wird die Einrichtung 3 gesperrt. Günstigerweise ist der Kondensator 2 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung permanent parallel geschaltet, außer bei Motorstillstand oder Motorstart oder wenn die Batterie- oder Generatorspannung kleiner als die Kondensatorspannung ist oder wenn der Stromfluss die Belastungsgrenze der Einrichtung 3 bzw. der gesamten Schaltungsanordnung übersteigt. Im letztgenannten Fall wird der Stromfluss erfindungsgemäß durch Zuführung eines getakteten Signals, insbesondere durch hochfrequentes Takten, begrenzt.
Wenn dem Kondensator 2 ein Anlasser 8 parallel geschaltet ist, sollte die Kapazität des Kondensators 2 zwischen 50 F (Farad) und 650 F, vorzugsweise zwischen 150 F und 500 F, betragen. Für den inneren Widerstand des Kondensators sollten Werte zwischen 0,5 mΩ (Milliohm) und 4 mΩ, vorzugsweise zwischen 1,0 mΩ und 3,5 mΩ, gewählt werden. Für Fahrzeuge mit schweren Motoren, z. B. Dieselmotoren wurde in einer konkreten Ausführung ein Kondensator 2 (Doppelschichtkondensator) mit 450 F, 1,5 mΩ, 0,75 Ah (Amperestunden) bei 3,6 kg (Kilogramm) und 14 V (Volt) gewählt. Eine Alternative für Otto-Motoren kommt mit einem Kondensator 2 (Doppelschichtkondensator) mit 200 F, 3,0 mΩ und 0,33 Ah bei 1,5 kg und 14 V aus.
Bei beiden Varianten wird die Stromstärke auf ca. 100 A (Ampere) – kurzzeitig – begrenzt.
In der Variante bei der dem Kondensator 2 eine Benzinpumpe parallel geschaltet ist, sollte die Kapazität des Kondensators 2 zwischen 10 F und 25 F, vorzugsweise zwischen 15 F und 20 F, betragen. Für den inneren Widerstand des Kondensators sollten Werte zwischen 50 mΩ und 100 mΩ, vorzugsweise zwischen 60 mΩ und 80 mΩ, gewählt werden. Bei einer konkreten Ausführungsform wurde ein Kondensator 2 (Doppelschichtkondensator) mit 18 F, 70 mΩ und 0,02 Ah bei 0,5 kg und 14 V ausgewählt. Es erfolgte eine Strombegrenzung auf 30 A (Ampere) – kurzzeitig. [0019] Insgesamt sorgt die erfindungsgemäße Schaltanordnung für ein sicheres Starten des Motors eines Fahrzeugs, ohne dass dabei Wartezeiten für die Kondensatorladung in Kauf genommen werden müssen, oder eine Überlastung der Schaltung befürchtet werden müsste. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung 3 zur Entkopplung und zur Begrenzung der Stromstärke treten nur geringe Verluste auf und es wird kein Ruhestrom benötigt. Es handelt sich somit bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung um ein redundantes Energienetz für Sicherheitsverbraucher.
Der Lithium-Ionen-Kondensator weist bevorzugt eine Lithium-dotierte Kohlenstoffschicht, eine Schicht mit aktiviertem Kohlenstoff und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten zum Transport von Lithium-Ionen und Elektroden auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4340350 A1 [0003, 0004]
EP 0412631 B2 [0005, 0005]
DE 102004038527 A1 [0006]

Claims

Schaltungsanordndung für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einer aufladbaren Batterie (1) und mindestens einem hierzu parallel geschalteten Kondensator (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (2) ein Lithium-Ionen-Kondensator ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) über eine Einrichtung (3) zur Entkopplung und zur Stromstärkenbegrenzung mit dem Kondensator (2) verbunden ist, welche wenigstens einen MOS-FET Transistor (4) aufweist, welcher mit einer Ansteuerlogik (6) gekoppelt und von dieser ansteuerbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerlogik (6) dazu ausgebildet ist, – den MOS-FET Transistor (4) vor einem Motorstart derart anzusteuern, dass der Kondensator (2) mit der Batterie (1) leitend verbunden ist, wenn eine Spannung der Batterie (1) höher als eine Spannung des Kondensators (2) ist, wobei die Ansteuerlogik (6) ferner ausgelegt ist, eine Stromstärke eines über die Einrichtung (3) fließenden Stroms durch ein hochfrequentes Ansteuern des MOS-FET Transistors (4) auf eine Belastungsgrenze der Einrichtung (3) zu begrenzen; und – den MOS-FET Transistor (4) in einem Dauerbetrieb derart anzusteuern, dass der Kondensator (2) mit der Batterie (1) leitend verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) dazu geeignet ist, in zwei Stromrichtungen zu entkoppeln.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) mindestens zwei in Reihe geschaltete MOS-FET Transistoren (4) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ansteuerlogik (6) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anlasser (8) zum Starten einer Brennkraftmaschine parallel zum Kondensator (2) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (2) zwischen 50 F und 650 F, vorzugsweise zwischen 150 F und 500 F, beträgt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (2) einen inneren Widerstand zwischen 0,5 mΩ und 4 mΩ, vorzugsweise zwischen 1,0 mΩ und 3,5 mΩ, aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Benzinpumpe parallel zum Kondensator (2) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (2) zwischen 10 F und 25 F, vorzugsweise zwischen 15 F und 20 F, beträgt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (7) zur Batterie (1) parallel geschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem der Schaltungsanordnung eine aufladbare Batterie (1) zugeordnet ist, welche mit einem Kondensator (2) bedarfsabhängig parallel geschaltet wird, wobei als Kondensator (2) ein Lithium-Ionen-Kondensator verwendet wird.