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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit zumindest einem Energiespeicher für ein Fahrzeug.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, umfassend eine solche Energiespeichervorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein Energiespeichervorrichtungen mit einem Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie in Fahrzeugen bekannt. Der Energiespeicher umfasst zwei elektrische Pole, einen positiven Pol, auch als Pluspol bezeichnet, und einen negativen Pol, auch als Minuspol bezeichnet. Zur Trennung des Bordnetzes vom Energiespeicher sind innerhalb des Bordnetzes Trennschalter und elektrische Sicherungen vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Energiespeichervorrichtung mit zumindest einem Energiespeicher für ein Fahrzeug und ein, eine solche Energiespeichervorrichtung umfassendes Fahrzeug anzugeben.
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Hinsichtlich der Energiespeichervorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 oder Anspruch 2 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Fahrzeugs durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug weist zumindest einen Energiespeicher auf. Erfindungsgemäß ist im Inneren des Energiespeichers zwischen einem positiven Pol des Energiespeichers und einer Spannungsquelle des Energiespeichers ein elektrischer Schalter, insbesondere ein Trennschalter, angeordnet. Diese im Energiespeicher integrierte Anordnung des Schalters ermöglicht es, dass innerhalb des Bordnetzes des Fahrzeugs keine zusätzlichen Schalter, insbesondere Trennschalter, zur Trennung des Energiespeichers vom Bordnetz vorgehalten werden müssen. Auch können gegebenenfalls im Bordnetz vorhandene elektrische Sicherungen, insbesondere im so genannten Kleinstrompfaden, entfallen. Dadurch wird eine Bordnetzarchitektur signifikant vereinfacht.
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Alternativ umfasst der Energiespeicher erfindungsgemäß mehrere positive Pole, wobei die Pole unterschiedliche elektrische Stromtragfähigkeiten aufweisen. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise neue Bordnetzstrukturen mit nach Stromtragfähigkeit ausdifferenzierten Spannungspfaden, an welchen elektrische Verbraucher entsprechend ihres Strombedarfs gruppiert und elektrisch angeschlossen werden. Daraus resultiert in ebenfalls besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit des Einsatzes optimaler, auf die jeweilige Stromtragfähigkeit der positiven Pole abgestimmter Kontaktsysteme.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist im Inneren des Energiespeichers zwischen zumindest einem positiven Pol und einer Spannungsquelle des Energiespeichers ein elektrischer Schalter, insbesondere ein Trennschalter, angeordnet. Diese im Energiespeicher integrierte Anordnung des Schalters ermöglicht es, dass innerhalb des Bordnetzes des Fahrzeugs keine zusätzlichen Schalter, insbesondere Trennschalter, zur Trennung des Energiespeichers vom Bordnetz vorgehalten werden müssen. Auch können gegebenenfalls im Bordnetz vorhandene elektrische Sicherungen, insbesondere im so genannten Kleinstrompfaden, entfallen. Dadurch wird eine Bordnetzarchitektur signifikant vereinfacht. Auch wird eine Zuverlässigkeit einer elektrischen Versorgung von elektrischen Verbrauchern erhöht, da bei einem Ausfall eines positiven Pols die elektrische Versorgung der übrigen Verbraucher über die verbleibenden positiven Pole sichergestellt ist.
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Zur automatischen Ansteuerung des elektrischen Schalters ist dieser gemäß einer weiteren Ausgestaltung mit zumindest einer Steuereinheit, insbesondere einem so genannten intelligenten Batteriesensor (kurz: IBS), gekoppelt.
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In einer Weiterbildung ist jeweils einem positiven Pol ein negativer Pol zugeordnet und/oder Gruppen von positiven Polen ist jeweils ein gemeinsamer negativer Pol zugeordnet. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, dass auch Kontaktsysteme am negativen Pol oder an den negativen Polen auf die jeweilige Stromtragfähigkeit der negativen Pole abgestimmt werden können.
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Insbesondere ist ein erster positiver Pol mit einem Starter einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und weist eine elektrische Stromtragfähigkeit von bis zu 1500 A auf.
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Dabei ist der Starter der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer Weiterbildung mit einem separaten ersten negativen Pol gekoppelt, wobei der erste negative Pol mittels eines Massekabels von einer Spannungsquelle des Energiespeichers unmittelbar mit dem Starter elektrisch gekoppelt ist. Unter einer unmittelbaren Kopplung wird dabei insbesondere verstanden, dass der negative Pol nicht mit einer Fahrzeugkarosserie als Massepunkt, sondern direkt, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung elektrischer und/oder elektronischer Komponenten, mit dem negativen Pol des Starters gekoppelt ist. Daraus resultiert in besonders vorteilhafter Weise, dass die Fahrzeugkarosserie nicht mit dem Starterstrom von bis zu 1500 A belastet wird. Auch ist ein Übergangswiderstand reduziert und es ist ein geringer Potenzialverlust realisierbar, welcher lediglich vom Bordnetzstrom abhängig ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist ein zweiter Pol eine elektrische Stromtragfähigkeit von bis zu 250 A auf und ist somit zu einer Bordnetzversorgung mit einer Dauerbelastung von ±250 A geeignet.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein dritter Pol eine elektrische Stromtragfähigkeit von bis zu 150 A aufweist und somit für eine elektrische Versorgung von Dauerstrom- und Kleinstromverbrauchern geeignet ist.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug mit einem Bordnetz umfasst eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung oder Ausführungsbeispiele dieser. Somit kann eine Bordnetzarchitektur signifikant vereinfacht werden und eine Zuverlässigkeit der elektrischen Versorgung der elektrischen Verbraucher wird erhöht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Bordnetz eines Fahrzeugs nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung,
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3 schematisch ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung,
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4 schematisch ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung,
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5 schematisch ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem vierten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, und
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6 schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem Bordnetz und einer Energiespeichervorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Bordnetz 1 eines nicht gezeigten Fahrzeugs nach dem Stand der Technik dargestellt.
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In dem Bordnetz 1 ist eine Energiespeichervorrichtung 2 mit einem Energiespeicher 3 angeordnet, wobei der Energiespeicher 3 insbesondere als elektrochemische Bleibatterie ausgebildet ist. Dabei weist der Energiespeicher 3 eine Spannungsquelle 13 mit einem positiven Pol 4 und einem negativen Pol 5 auf. Der negative Pol 5 ist in nicht dargestellter Weise auf eine Fahrzeugkarosserie geführt, welche einen gemeinsamen elektrischen Massepunkt für elektrische Verbraucher des Bordnetzes 1 bildet.
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Die Verbraucher umfassen einen Starter 6 für eine nicht gezeigte Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs und weitere elektrische Verbraucher 7. Des Weiteren sind ein Generator 8 zum Aufladen des Energiespeichers 3 und ein Stromverteiler 9 für eine Stromverteilung zwischen einzelnen elektrischen Pfaden des Generators 8 und der elektrischen Verbraucher 7 im Bordnetz 1 vorgesehen.
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Ein elektrischer Bordnetzstrom Ib umfasst einen elektrischen Strom innerhalb des Bordnetzes 1 für die elektrischen Verbraucher, welcher im Allgemeinen zwischen 30 A und 100 A als Dauerbelastung und kurzzeitig bis zu 250 A beträgt. Weiterhin umfasst der Bordnetzstrom Ib einen elektrischen Strom des Generators 8 zum Aufladen des Energiespeichers 3, welcher als Dauerbelastung beispielsweise 190 A und kurzzeitig 210 A beträgt. Elektrische Leitungen des Bordnetzes 1, in welchen der Generator 8 und die elektrischen Verbraucher 7 angeordnet sind, sind in nicht dargestellter Weise mittels Schmelzsicherungen abgesichert und/oder mittels Relais geschaltet, welche der Stromverteiler 9 umfasst.
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Ein Starterstrom Is weist dagegen einen Spitzenwert von beispielsweise 1400 A für 1 ms, der Schleppstrom hingegen wirkt typischerweise bis zu 1 s. Eine elektrische Leitung des Bordnetzes 1, in welchem der Starter 6 angeordnet ist, ist mittels einer Sicherung 10 abgesichert. Die Sicherung 10 ist dabei beispielsweise als pyrotechnisch betätigte Sicherung, auch als Pyro-Fuse bezeichnet, ausgebildet. Zur Steuerung der Sicherung 10 ist eine als so genannter intelligenter Batteriesensor ausgebildete Steuereinheit 11 vorgesehen, welche elektrische Parameter des Energiespeichers 3 überwacht und in Abhängigkeit dieser die Sicherung 10 ansteuert. Insbesondere wird die Sicherung 10 dann ausgelöst, wenn der Starterstrom Is mit seinem Spitzenwert mehr als 60 s fließt.
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Aufgrund der signifikant unterschiedlichen Stromhöhen und Stromdauern des Starterstromes Is und des Bordnetzstromes Ib sind unterschiedliche elektrische Absicherungen der jeweiligen elektrischen Pfade bzw. Leiter erforderlich.
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2 zeigt ein Bordnetz 1 eines in 6 näher dargestellten Fahrzeugs 12 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 2. Die Energiespeichervorrichtung 2 umfasst einen Energiespeicher 3, welcher insbesondere als elektrochemischer Energiespeicher, beispielsweise als elektrischer Lithium-Ionen-Akkumulator, ausgebildet ist. Der Energiespeicher 3 weist im Inneren zwischen dem positiven Pol 4 und der Spannungsquelle 13 einen elektrischen Schalter 14 auf, welcher als Trennschalter ausgebildet ist und vorzugsweise mittels der Steuereinheit 11 gesteuert wird. Die Steuerung des elektrischen Schalters 14 erfolgt dabei in der Art, dass eine Überladung, Tiefentladung und eine Überlastung des Energiespeichers 3 vermieden werden.
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Somit umfasst das Bordnetz 1 in vorteilhafter Weise zusätzlich zu den in 1 dargestellten, aus dem Stromverteiler 9 und der Sicherung 10 gebildeten, Sicherungspfaden einen dritten Sicherungspfad. Die Sicherung 10 ist dabei als Pyro-Fuse oder Halbleiterschalter ausgebildet, wobei ein überhöhter Strom im Bereich einer Drain-Source-Strecke eines Leistungs-MOSFETs des Halbleiterschalters zur Zerstörung desselben führt.
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Der dritte Sicherungspfad in Form des Schalters 14 ist innerhalb des Energiespeichers 3 angeordnet, wobei der Energiespeicher 3 derart ausgebildet ist, dass dieser ohne Anpassungen in bestehende Bordnetze 1 nach dem Stand der Technik gemäß 1 integrierbar ist, d. h. mechanisch kompatibel mit Bordnetzen 1 nach dem Stand der Technik ist.
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Der zusätzliche dritte Sicherungspfad in Form des in den Energiespeicher 3 integrierten Schalters 14 ermöglicht die Nutzung von Synergieeffekten bei der elektrischen Absicherung des Bordnetzes 1, wobei in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Reihenschaltung von mehreren Sicherungspfaden nicht erforderlich ist.
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Weiterhin sind im Bordnetz 1 zusätzliche elektrische Verbraucher 15 angeordnet, wobei ein elektrischer Pfad, auch als ”Klemme 30G” bezeichnet, in welchem diese angeordnet sind, mittels des Stromverteilers 9 abschaltbar ist. Der elektrische Pfad, auch als ”Klemme 30” bezeichnet, in welchem die elektrischen Verbraucher 7 angeordnet sind, ist dagegen nicht abschaltbar.
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In 3 ist ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs 12 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 2 dargestellt.
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Im Unterschied zum in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Energiespeicher 3 drei positive Pole 4.1 bis 4.3, wobei die Pole 4.1 bis 4.3 unterschiedliche elektrische Stromtragfähigkeiten aufweisen.
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Dabei ist ein erster positiver Pol 4.1 mit dem Starter 6 der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und weist insbesondere eine elektrische Stromtragfähigkeit von bis zu 1500 A auf. Im Inneren des Energiespeichers 3 ist zwischen dem ersten positiven Pol 4.1 und der Spannungsquelle 13 ein elektrischer Schalter 16 angeordnet. Der elektrische Schalter 16 ist als Trennschalter ausgebildet und mittels der Steuereinheit 11 insbesondere derart ansteuerbar, dass der Spitzenwert des Starterstromes Is von anfänglich bis zu 1400 A oder maximal 350 A für maximal 60 s (Schlepstrom) im elektrischen Starterpfad fließt. Nach maximal 60 s wird der Schalter 16 mittels der Steuereinheit 11 angesteuert und öffnet den Stromkreis. Dabei ist der Schalter 16 insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildet, welcher nach dem Prinzip des ”Start Spannungs Einbruchs Begrenzer” arbeitet. Alternativ kann der Schalter 16 auch als mechanischer Trennschalter ausgebildet sein, wobei zusätzlich ein Halbleiterschalter zur Startstrombegrenzung vorgesehen ist.
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Ein zweiter Pol 4.2 ist zur Versorgung der Verbraucher 7 und zur Führung des Generatorstromes zum Aufladen des Energiespeichers 3 vorgesehen und weist eine elektrische Stromtragfähigkeit von einem Dauerstrom von bis zu ±250 A auf, wobei der vom zweiten Pol 4.2 geführte Bordnetzstrom Ib, insbesondere während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 12, mittels des Stromverteilers 9 auf die Verbraucher 7 verteilt und vom Generator 8 an den Energiespeicher 3 geleitet wird. Der vom zweiten Pol 4.2 versorgte elektrische Pfad bildet dabei eine Bordnetzversorgung mit Abschaltung für einen minimierten Ruhestrom, wobei dieser elektrische Pfad auch als ”Klemme 30G” bezeichnet wird. Das heißt, der elektrische Pfad wird während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 12 mittels des Schalters 17 geschlossen und außerhalb des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 12 geöffnet. Auch zwischen dem zweiten positiven Pol 4.2 und der Spannungsquelle 13 ist ein elektrischer Schalter 17 angeordnet, welcher als Trennschalter ausgebildet ist und mittels der Steuereinheit 11 insbesondere derart ansteuerbar ist, dass dieser bei Überschreitung des Dauerstromes von bis zu ±250 A den Stromkreis öffnet. Dabei ist der Schalter 17 insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildet. Alternativ kann der Schalter 17 auch als mechanischer Trennschalter ausgebildet sein. Ein dritter Pol 4.3 ist zur Versorgung der weiteren Verbraucher 15 vorgesehen und weist eine elektrische Stromtragfähigkeit von vorzugsweise 30 A bis zu 150 A auf. Ein vom dritten Pol 4.3 versorgter elektrischer Pfad bildet einen Kleinstrompfad, welcher zu einer dauerhaften Versorgung der elektrischen Verbraucher 15 vorgesehen ist, d. h. auch wenn sich das Fahrzeug 12 nicht im Fahrbetrieb befindet. Zusätzlich ist jedoch auch zwischen dem dritten positiven Pol 4.3 und der Spannungsquelle 13 ist ein elektrischer Schalter 18 angeordnet, welcher als Trennschalter ausgebildet ist und mittels der Steuereinheit 11 ansteuerbar ist. Dabei wird der Schalter 18 nur bei ”Notfällen”, d. h. insbesondere bei elektrischer Überlastung des Energiespeichers 3, geöffnet. Somit hat der Schalter 18 die Funktion eines Batterietrennschalters. Der Schalter 18 ist insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildet. Alternativ kann der Schalter 18 als mechanischer Trennschalter ausgebildet sein.
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Zur Ermittlung der Last des Energiespeichers 3 misst die Steuereinheit 11 als elektrische Parameter des Energiespeichers 3 die elektrische Spannung U, den elektrischen Strom 1 und ermittelt aus diesen den Innenwiderstand R des Energiespeichers 3.
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Das zweite Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 2 ermöglicht es, dass von den aus dem Stand Technik bekannten, im Bordnetz 1 außerhalb des Energiespeichers 3 vorhandenen drei Sicherungspfade, gebildet aus der Sicherung 10, dem Stromverteiler 9 und dem Batterietrennschalter, zwei Sicherungspfade inklusive deren elektrische Kontaktierung innerhalb des Energiespeichers 3 angeordnet werden. Dabei können externe, d. h. außerhalb des Energiespeichers 3 im Bordnetz 1 angeordnete Sicherungen 10 und Schalter, insbesondere Pyro-Fuses, Halbleiterschalter und Batterietrennschalter entfallen. Auch sind in vorteilhafter Weise an die jeweiligen positiven Pole 4.1 bis 4.3 und deren Stromtragfähigkeiten angepasste Kontaktsysteme, beispielsweise Stecksysteme, verwendbar, so dass ein Montageaufwand und eine Montagezeit minimiert sind.
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Besonders bevorzugt ist der Energiespeicher 3 dabei derart ausgebildet, dass dieser in einfacher Weise mittels eines nicht gezeigten dreipoligen Adapters auch in konventionellen Bordnetzen 1 verwendbar ist.
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4 zeigt ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs 12 mit einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 2. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich die Steuereinheit 11, welche den intelligenten Batteriesensor bildet oder umfasst, in den Energiespeicher 3 integriert.
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Mittels der Steuereinheit 11 werden als elektrische Parameter des Energiespeichers 3 die elektrische Spannung U und der elektrischen Strom 1 gemessen und aus diesen der Innenwiderstand R des Energiespeichers 3 ermittelt.
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In 5 ist ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs 12 mit einem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 2 dargestellt. Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist der Starter 6 mit einem separaten ersten negativen Pol 5.1 gekoppelt ist, wobei der erste negative Pol 5.1 mittels eines Massekabels von der Spannungsquelle 13 des Energiespeichers 3 ausgehend unmittelbar mit dem Starter elektrisch gekoppelt ist. Unter einer unmittelbaren Kopplung wird dabei insbesondere verstanden, dass der erste negative Pol 5.1 im Gegensatz zu den in den 1 bis 4 dargestellten Bordnetzen 1 nicht mit einer Fahrzeugkarosserie als Massepunkt, sondern direkt, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung elektrischer und/oder elektronischer Komponenten, mit einem negativen Pol des Starters 6 gekoppelt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich die Steuereinheit 11 zur Erfassung der elektrischen Parameter des Energiespeichers 3 zwischengeschaltet. Besonders im Startmoment fließt ein extrem hoher Starterstrom Is und jeder elektrische Leiter, auch die Fahrzeugkarosserie, führt zu einem Spannungsabfall. Aufgrund des separaten negativen Pols 5.1, welcher unmittelbar zum Starter 6 geführt ist, wird zum einen der Spannungsabfall aufgrund einer Verringerung des Übertragungswiderstandes minimiert und zum anderen wird die Fahrzeugkarosserie als Massepunkt nicht elektrisch belastet.
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Den positiven Polen 4.2 und 4.3 und somit dem Generator 8 und den Verbrauchern 7, 15 ist ein zweiter negativer Pol 5.2 zugeordnet, welcher mit der Fahrzeugkarosserie als Massepunkt verbunden ist. Somit wird der Potenzialverlust minimiert, da dieser lediglich vom Bordnetzstrom Ib, jedoch nicht vom Starterstrom Is abhängig ist.
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6 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 12, welches ein Bordnetz 1 mit einer in den 2 bis 5 näher dargestellten erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 2 umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bordnetz
- 2
- Energiespeichervorrichtung
- 3
- Energiespeicher
- 4
- positiver Pol
- 4.1
- erster positiver Pol
- 4.2
- zweiter positiver Pol
- 4.3
- dritter positiver Pol
- 5
- negativer Pol
- 5.1
- erster negativer Pol
- 5.2
- zweiter negativer Pol
- 6
- Starter
- 7
- Verbraucher
- 8
- Generator
- 9
- Stromverteiler
- 10
- Sicherung
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Fahrzeug
- 13
- Spannungsquelle
- 14
- Schalter
- 15
- Verbraucher
- 16 bis 18
- Schalter
- I
- Strom
- R
- Innenwiderstand
- U
- Spannung
- Ib
- Bordnetzstrom
- Is
- Starterstrom
