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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinheit insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Spannungsversorgungsnetz mit einer Spannungsversorgungseinheit.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungsversorgungsnetzes.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, in Kraftfahrzeugen mit zwei Spannungsbordnetzen, speziell in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, ein Hochspannungsbordnetz (Traktionsbordnetz) und ein Niederspannungsbordnetz über einen DC/DC-Wandler miteinander zu koppeln. Beide Bordnetzteile sind mit einer eigenen Batterie gepuffert. In vielen Fällen haben die beiden Bordnetzbereiche ihre eigenen Energieerzeuger, zum Beispiel eine Lichtmaschine und einen Startergenerator. Meist befindet sich jedoch die einspeisende Energiequelle nur auf der Hochspannungsseite. Eine solche bekannte Anordnung mit den zwei Batterien für je eine Spannungsebene im Zweispannungsbordnetz und dem DC/DC-Wandler stellt nicht nur einen hohen apparativen Aufwand dar, sondern beansprucht auch noch viel Bauraum, der in einem Kraftfahrzeug ohnehin knapp ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Spannungsversorgungseinheit, insbesondere für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt mit einem ersten Anschlusspol und einem zweiten Anschlusspol, zwischen denen eine von der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellte Gesamtspannung abgreifbar ist, sowie wenigstens drei Spannungsversorgungselemente, die zwischen die Anschlusspole geschaltet sind und die dazu ausgebildet sind, jeweils eine elektrische Spannung bereitzustellen. Die Spannungsversorgungselemente sind mittels Verbindungsmitteln elektrisch derart miteinander verbunden, dass sich die von den Spannungsversorgungselementen bereitgestellten einzelnen Teilspannungen addieren. Eine Mehrzahl der Verbindungsmittel ist jeweils elektrisch mit einem Abgriff verbunden, so dass die Teilspannungen oder eine Summe der Teilspannungen zwischen den Abgriffen und/oder den Abgriffen und den Anschlusspolen abgreifbar sind.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Spannungsversorgungsnetz für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Bei dem Spannungsversorgungsnetz sind mindestens zwei Netzteile mit unterschiedlichen Spannungsniveaus geschaltet. Dabei weist das Spannungsversorgungsnetz eine zuvor beschrieben Spannungsversorgungseinheit auf. Ein erstes der Netzteile ist mit den Anschlusspolen verbindbar, um das erste der Netzteile mit der Gesamtspannung zu versorgen. Ein zweites der Netzteile ist mit einem der Anschlusspole und einem der Abgriffe verbindbar, um das zweite der Netzteile mit einer der Teilspannungen oder einer Summe der Teilspannungen zu versorgen.
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Erfindungsgemäß wird schließlich ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Spannungsversorgungsnetzes vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird das erste der Netzteile mit den Anschlusspolen verbunden, um das erste der Netzteile mit der Gesamtspannung zu versorgen, während das zweite der Netzteile mit einem der Anschlusspole und einem der Abgriffe oder mit zwei der Abgriffe verbunden wird, um das zweite der Netzteile mit einer der Teilspannungen oder einer Summe der Teilspannungen zu versorgen.
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Vorteile der Erfindung
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass unterschiedliche Versorgungsspannungen für unterschiedliche Einsatzgebiete mit einer konstruktiv sehr einfachen Lösung bereitgestellt werden können und die Spannungsquellenanzahl möglichst gering gehalten wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannungsversorgungseinheit als Batterie, Kondensator oder Hybridkondensator ausgebildet.
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Es ist auf diese Weise möglich, auf vorhandene Spannungsversorgungseinheiten für Kraftfahrzeuge zurückzugreifen, um eine derartige Spannungsversorgungseinheit bereitzustellen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung bilden Spannungsversorgungselemente einzelne oder Gruppen von Zellen der Batterie.
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Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Spannungsversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeug mit zwei unabhängigen Spannungsversorgungselementen und den entsprechenden Anschlusspolen bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung weisen die Spannungsversorgungselemente jeweils einen positiven Pol und einen negativen Pol auf, zwischen denen die jeweilige Spannung der Spannungsversorgungselemente bereitgestellt ist. Dabei ist der negative Pol eines ersten Spannungsversorgungselementes mit dem positiven Pol eines zum ersten Spannungsversorgungselementes benachbarten Pol verbunden.
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Auf diese Weise ist eine einfache Reihenschaltung der Spannungsversorgungselemente realisierbar, wodurch sich die Spannungen der Spannungsversorgungselemente addieren und eine hohe Spannung zwischen den beiden Anschlusspolen der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Spannungsversorgungseinheit eine Schaltvorrichtung mit einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss sowie einer Mehrzahl von Schaltelementen auf. Die Schaltelemente sind dazu ausgebildet, die Ausgangsanschlüsse jeweils mit einem der Anschlusspole oder einem der Abgriffe zu verbinden, um eine der Teilspannungen oder eine Summe der Teilspannungen an den Ausgangsanschlüssen bereitzustellen. Dank der Schaltvorrichtung ist nicht mehr für unterschiedliche Spannungen jeweils eine separate Spannungsquelle erforderlich, sondern durch eine einzige Schaltvorrichtung kann von einem beliebigen Anschlusspaar auf ein anderes und somit von einem Spannungsversorgungselement (oder Gruppe von Spannungsversorgungselementen) auf ein beliebiges anderes umgeschaltet werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet unter vordefinierten Bedingungen zwischen den entsprechenden Anschlusspolen und Abgriffen umzuschalten.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zu jeder Zeit auf das optimale, d.h. das für die jeweiligen gegebenen Bedingungen bzw. Betriebszustände der Spannungsversorgungseinheit geeignete Spannungsversorgungselement umgeschaltet werden kann.
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Der Ladezustand SoC (State of Charge) und die Gebrauchsfähigkeit SOH (State of Health) einzelner Spannungsversorgungselemente (z.B. Batteriezellen) sind in der Regel unterschiedlich hoch. Bekannterweise ist es notwendig, die einzelnen Zellen einer Batterie zu überwachen und regelmäßig einen Ladungsausgleich durchzuführen, um eine zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten. Deshalb weist das Spannungsversorgungsnetz gemäß einer Ausführungsform der Ladezustandsbestimmungsmittel auf, die einen Ladezustand der einzelnen Spannungsversorgungselemente erfassen. Dabei ist die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet entsprechend des Ladezustands zwischen den jeweiligen Anschlusspolen und Abgriffen umzuschalten.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist einem der Netzteile ein elektrischer Fahrzeugantrieb zugeordnet.
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Durch Abgriff der entsprechenden Spannungsniveaus kann der Fahrzeugantrieb aus einer Batterie ohne die Unterstützung eines DC/DC-Wandlers gespeist werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eines der Netzteile ein elektrisches Traktionsnetz eines Fahrzeuges mit Hybridantrieb, während das andere Netzteil ein elektrisches Niederspannungsbordnetz mit mindestens einem Verbraucher ist. Damit schafft die Erfindung die Voraussetzung zur Einsparung des DC/DC-Wandlers und diesem zugeordneter Peripheriegeräte, wodurch letztlich eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht wird. Die Erhöhung des Wirkungsgrades ist gerade bei hybridelektrischen Antriebssystemen wünschenswert, die auch nach Jahren der Forschung durch die aktuelle Technologie dahingehend beschränkt sind, dass sie nur eine begrenzte Reichweite aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schaltet die Schaltvorrichtung unter vordefinierten Bedingungen zwischen den entsprechenden Anschlusspolen und Abgriffen um.
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Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Betriebsgröße der Spannungsversorgungselemente erfasst. Dabei ist die vordefinierte Bedingung erfüllt, wenn die Betriebsgröße einen vorbestimmten Sollwert einnimmt oder in einem vorbestimmten Sollwertebereich liegt. Die Betriebsgröße kann im einfachsten Fall die Zeitspanne seit der letzten Umschaltung sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Betriebsgröße der Ladezustand des Spannungsversorgungselementes (S1, S2, S3, ... Sn) und/oder eine den Alterungszustand des Spannungsversorgungselementes (S1, S2, S3, ... Sn) charakterisierende Größe.
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Um Wiederholungen zu vermeiden wird hinsichtlich der Bedeutung der Erfassung einer Betriebsgröße, insbesondere einer Ladezustandserfassung auf die obige Beschreibung der Spannungsversorgungseinheit als solcher verwiesen.
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Bekanntermaßen bestimmen zum Beispiel bei Batterien diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand und die Zelle mit dem höchsten Ladezustand die Grenzen des Auf- bzw. Entladens der Batterie. Das heißt konkret zum einen, dass die Batterie nicht weiter aufgeladen werden kann, bis die vollste Zelle vollständig aufgeladen ist, und zum anderen dass die Batterie nicht weiter entladen werden kann, bis die Ladung der schwächsten Zelle verbraucht ist. Die Abweichung der einzelnen Zellen voneinander nimmt in der Regel mit zunehmendem Lebensalter bzw. Belastungen der Batterie zu.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher die Schalteinrichtung so angesteuert, dass über die Schalteinrichtung ein elektrischer Stromfluss hergestellt wird, der zum folgenden Laden desjenigen Spannungsversorgungselementes, das den niedrigsten Ladezustand aller Spannungsversorgungselemente der Spannungsversorgungseinheit aufweist oder zum folgenden Entladen desjenigen Spannungsversorgungselementes, das den höchsten Ladezustand aller Spannungsversorgungselemente der Spannungsversorgungseinheit aufweist, gegenwärtig benötigt wird.
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Bisher ist es üblich, bei einer zwischenzeitlichen Abkopplung eines Netzteiles von einer Hochvoltbatterie die kurzfristige Unterdeckung an elektrischer Energie durch einen Puffer-Energiespeicher zu puffern. Diesen Aufwand kann man sich sparen, oder zumindest die Größe des Puffer-Energiespeichers reduzieren, indem – bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens – der Ladezustand (SoC) nur diejenigen Spannungsversorgungselemente erfasst wird, die vom zweiten Netzteil getrennt sind. Dabei wird eine Größe ermittelt oder geschätzt, die ein Maß für die mit dem Bordnetz ausgetauschte Ladungs- und/oder Energiemenge des gegenwärtig mit dem zweiten Netzteil verbundenen Spannungsversorgungselementes ist. Dabei wird ein anderes Spannungsversorgungselement über die Schaltvorrichtung mit dem zweiten Netzteil verbunden, wenn die Größe einen bestimmten Wert oder Wertebereich erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid-Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine aufweist; und
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Maschine 14 und einen Verbrennungsmotor 16 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 18L, 18R des Fahrzeugs 10.
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Der Verbrennungsmotor 16 ist über eine Kurbelwelle 20 mit der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, wobei der Verbrennungsmotor 16 und die elektrische Maschine 14 an einer Abtriebswelle 22 ein Drehmoment t bereitstellen, die mit einer einstellbaren Drehzahl dreht. Die Abtriebswelle 22 ist mit einer Getriebeeinheit 24 verbunden bzw. verbindbar, um das Drehmoment t auf die angetriebenen Räder 18R, 18L zu übertragen. Die Kurbelwelle 20 und die Abtriebswelle 22 weisen im vorliegenden Fall jeweils eine Kupplung 26, 28 auf, um den Verbrennungsmotor 16 mit der elektrischen Maschine 14 bzw. die elektrische Maschine 14 mit der Getriebeeinheit 24 zu verbinden.
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Der Antriebsstrang 12 kann dazu eingerichtet sein, das Fahrzeug 10 alleine mittels der elektrischen Maschine 14 anzutreiben (Elektrofahrzeug). Alternativ kann die elektrische Maschine 14 wie in dem vorliegenden Fall Teil eines Hybrid-Antriebsstrangs 12 sein.
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Die Kurbelwelle 20 ist mittels der Kupplung 26 mit einem Rotor der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, um eine Drehzahl bzw. ein Drehmoment auf die elektrische Maschine 14 zu übertragen. Der Rotor der elektrischen Maschine 14 ist mit der Abtriebswelle 22 verbunden, um das Drehmoment t auf die Getriebeeinheit 24 zu übertragen. Das Drehmoment t wird dabei durch die Summe der von dem Verbrennungsmotor 16 und der elektrischen Maschine 14 bereitgestellten einzelnen Drehmomente gebildet.
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Im motorischen Betrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 ein Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor 16, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im generatorischen bzw. Rekuperationsbetrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 elektrische Energie, die im Allgemeinen dem Fahrzeug 10 zur Verfügung gestellt wird.
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Der Verbrennungsmotor 16 wird durch einen Kraftstofftank 30 mit Kraftstoff versorgt.
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Die elektrische Maschine 14 kann ein- oder mehrphasig ausgebildet sein und wird mittels einer Leistungselektronik 32 bzw. eines Inverters 32 angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt. Die Leistungselektronik 32 ist mit einer Energieversorgungseinheit 34 wie einer Gleichspannungsversorgung (z.B. Akkumulator bzw. Batterie) 34 des Fahrzeugs 10 verbunden und dient dazu, eine von der Energieversorgungseinheit 34 bereitgestellte Spannung in Wechselstrom im Allgemeinen bzw. in eine Anzahl von Phasenströmen für die Phasen der elektrischen Maschine 14 umzurichten. Die Energieversorgungseinheit 34 ist mit einem Batteriesteuergerät 36 verbunden, das dazu ausgebildet ist, die Energieversorgung der elektrischen Maschine 14 über die Leistungselektronik 32 und den Ladezustand der Energieversorgungseinheit 34 zu steuern. Die Leistungselektronik 32 ist ferner dazu ausgebildet, im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine 14, die Energieversorgungseinheit 34 durch die von der elektrischen Maschine 14 erzeugte elektrische Energie aufzuladen.
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Die Energieversorgungseinheit 34, die Leistungselektronik 32 und das Batteriesteuergerät 36 sind Teil eines Hochspannungsbordnetzes 38 des Kraftfahrzeugs 10.
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Das Hochspannungsbordnetz 38 ist über eine in 2 näher beschriebene Schaltvorrichtung 44 mit dem Niederspannungsbordnetz 42 verbunden, um das Niederspannungsbordnetz 42 mit einer entsprechenden Spannung zu versorgen und um elektrische Energie zwischen den beiden auszutauschen.
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 34, die mit den beiden Bordnetzteilen 38, 42 verbunden ist, nämlich dem Hochspannungsbordnetz 38 und dem Niederspannungsbordnetz 42. Das Hochspannungsbordnetz 38 ist mit der Spannungsversorgungseinheit 34 gepuffert, die hier als Hochvoltbatterie 34 ausgebildet ist. Die Hochvoltbatterie 34 ist aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriesegmenten S1, S2, S3, ... Sn gebildet, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt erzeugen. Die Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn sind mittels Verbindungsmitteln 50 (von denen in 2 nur einige mit der Bezugsziffer versehen sind) in Reihe geschaltet, so dass sich die von den Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn bereitgestellten einzelnen Teilspannungen addieren.
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Zwischen einem ersten Anschlusspol 52 und einem zweiten Anschlusspol 54 ist eine von der Hochvoltbatterie 34 bereitgestellte Nennspannung abgreifbar. Dabei bestimmt die Anzahl der Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn die Nennspannung der Hochvoltbatterie 34, die hier bis zu 500 V betragen kann.
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Aus der Hochvoltbatterie 34 werden Zwischenabgriffe von Batteriesegmenten S1, S2, S3, ... Sn herausgeführt. Hierzu sind an der Hochvoltbatterie mehrere Abgriffpole angeordnet. Die Zwischenabgriffe sind jeweils mit einem der Verbindungsmittel 50 elektrisch verbunden.
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Die einzelnen Spannungsniveaus ergeben sich aus der Zahl der geschalteten Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn entsprechend der Addition der Einzelspannungen. Die einzelnen Zwischenabgriffe sind als elektrische Leitungen L1, L2, L3, ... LN zum Anschluss an die Schaltvorrichtung 44, die zwischen dem Hochspannungsbordnetz 38 und dem Niederspannungsbordnetz 42 angeordnet ist, aus einem (nicht dargestellten) Batteriegehäuse herausgeführt.
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Die Schaltvorrichtung 44 verbindet selektiv eines der Abgriffpaare mit dem Niederspannungsbordnetz 42.
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Beispielsweise werden das stärkste und das schwächste Batteriesegment S1, S2, S3, ... Sn ermittelt und zwecks Ladungsausgleichs eines der beiden mit dem Niederspannungsbordnetz 42 verbunden. Im Allgemeinen soll Energie vom Hochspannungsbordnetz 38 in das Niederspannungsbordnetz 42 transferiert werden. Dann wird stets das stärkste Batteriesegment S1, S2, S3, ... Sn mit dem Niederspannungsbordnetz 42 verbunden. Sollte durch einen Energieüberschuss im Niederspannungsbordnetz 42 dort einmal die Spannung über der Batteriesegmentnennspannung liegen, wird das schwächste Batteriesegment S1, S2, S3, ... Sn der Hochvoltbatterie 34 mit dem Niederspannungsbordnetz 42 verbunden. So kann auch vom Niederspannungsbordnetz 42 in das Hochspannungsbordnetz 38 Energie transferiert werden. Zum Beispiel zum Ermitteln des Ladungszustandes des Niederspannungsbordnetz-Batteriesegments kann es notwendig sein, das Niederspannungsbordnetz 42 kurzzeitig ganz von der Hochvoltbatterie 34 zu trennen. Für die Überbrückung dieser Zeit kann das Niederspannungsbordnetz 42 mit einem eigenen geeigneten Niederspannungs-Energiespeicher gepuffert sein. Bei dem Niederspannungs-Energiespeicher kann es sich beispielsweise um einen Kondensator 48 oder um eine Batterie handeln. Auch diesen Aufwand kann man sich jedoch sparen oder zumindest die Größe des Puffers reduzieren, indem man immer nur die Ladung der nicht an das Niederspannungsbordnetz 42 angeschlossene Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn ermittelt. Das an das Niederspannungsbordnetz 42 angeschlossene Batteriesegment S1, S2, S3, ... Sn wird dann einfach nach einer bestimmten Zeit oder nach einer bestimmten ausgetauschten Ladungs- oder Energiemenge gewechselt.
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Der Ladungszustand der einzelnen Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn kann mit Hilfe von Algorithmen auf einem elektronischen Steuergerät aus Strom- und Spannungsmessungen ermittelt werden.
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Die Hochvoltbatterie 34 ist vergleichsweise teuer und sollte daher möglichst über die Lebensdauer des Fahrzeugs einwandfrei funktionieren. Wie bereits zuvor angesprochen unterliegen Batterien einer physikalischen Alterung, die von verschiedenen Parametern abhängt, wie z. B. der Anzahl der Lade- und Entladezyklen, die Höhe der jeweiligen Lade- oder Entladeströme, etc. Eine Möglichkeit die Hochvoltbatterie 34 vor einer zu schnellen Alterung zu schützen, besteht deshalb darin, den SOH der Batteriesegmente S1, S2, S3, ... Sn zu ermitteln, wobei zum Beispiel bei Unterschreitung vorgebbarer Schwellwerte der maximale Lade- und Entladestrom entsprechend begrenzt werden kann.
