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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Energieversorgung verschiedener Spannungsnetze in einem mobilen Inselsystem. Im Besonderen betrifft die Erfindung die Versorgung eines Bordnetzes mit elektrischer Energie in einem batteriebetriebenen Fahrzeug.
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Hintergrund der Erfindung
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Traktionsbatterien bzw. Antriebsbatterien in elektrifizierten Fahrzeugen werden in der Regel zur Energiebereitstellung an den Antrieb des Fahrzeugs genutzt. Für die Versorgung eines Bordnetzes mit elektrischer Energie, d. h. des Elektrik/Elektronik (E/E)-Umfelds, wird meistens eine eigene, separate Niedervoltbatterie, beispielsweise eine VRLA-Batterie oder AGM-Batterie eingesetzt. Das Laden dieser Niedervoltbatterie wird bei voll elektrisch betriebenen BEV-Fahrzeugen (battery electric vehicle, BEV) meist über einen DCDC-Wandler realisiert, der als Energiequelle die Traktions- bzw. Antriebsbatterie nutzt.
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Beispielsweise ist aus der
DE 102 20 939 A1 eine Batterieanordnung bestehend aus in Reihe geschalteten Speicherelementen bekannt, bei der ein Teil der Speicherelemente zur Versorgung von Niederspannungsverbrauchern dient. Die anderen Speicherelemente werden über getaktete DCDC-Wandler nach Bedarf in die Speicherelemente zur Versorgung der Niederspannungsverbraucher entladen, wobei so ein gezieltes Entladen der geladenen Speicherelemente zum Ladungsausgleich zwischen den unterschiedlich entladenen Speicherzellen stattfindet. Da die zur Versorgung der Niederspannungsverbraucher herangezogenen Speicherelemente in Reihe mit den übrigen Speicherelementen des Energiespeichers geschaltet sind, bedeutet der Ausfall dieser stärker beanspruchten Speicherelemente den vorzeitigen Ausfall des gesamten Energiespeichers.
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Um dies zu vermeiden, könnten, um die separate Niedervoltbatterie in Wegfall zu bringen, die Niederspannungsverbraucher direkt über einen DCDC-Wandler aus der gesamten Antriebs- bzw. Traktionsbatterie unter Heranziehung aller seriell verschalteten Speicherzellen versorgt werden. In Fahrzeugen werden üblicherweise zahlreiche Niederspannungsverbraucher mit unterschiedlichsten Nutzungsprofilen und Leistungsverbrauch über ein Bordnetz gespeist. Einzelne Steuergeräte können kurzzeitig sehr hohe Leistungsansprüche haben, d. h. hohe Spitzenströme erfordern, wie beispielsweise das Antiblockiersystem (ABS) der Bremsanlage. Daher müsste in diesem Fall der DCDC-Wandler auf einen maximal möglichen Spitzenstrombedarf des Bordnetzes ausgelegt werden, was im Hinblick sowohl auf Herstellungskosten als auch bezüglich des Volumen/Gewicht-Verhältnisses ungünstig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine mögliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie aus einem mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Speicherelemente umfassenden Energiespeicher, der ein weiteres Versorgungsnetz speist, vorzuschlagen, bei der die vorstehend im Stand der Technik beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Einrichtung bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Einzelheiten, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem entsprechenden Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung der einzelnen Aspekte stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, ein Niederspannungsbordnetz in einem Fahrzeug über einen DCDC-Wandler direkt aus allen Speicherelementen der Antriebs- bzw. Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu speisen, wobei dieser DCDC-Wandler für einen in das Bordnetz zu speisenden Strom dimensioniert ist, der sich am mittleren Strombedarf der an das Bordnetz angeschlossenen Verbraucher orientiert. Dieser mittlere Strombedarf ist gewöhnlich deutlich geringer als Spitzenströme, die unregelmäßig von einzelnen an das Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern, wie beispielsweise dem oben genannten Antiblockiersystem der Bremsanlage, angefordert werden. Durch die Dimensionierung des DCDC-Wandlers im Hinblick auf den im Bordnetz auftretenden durchschnittlichen Leistungsbedarf, kann der DCDC-Wandler sehr klein und effizient ausgelegt werden. Die Auswahl bzw. Konfiguration eines DCDC-Wandlers mit für diese Anforderungen geeigneten Eigenschaften ist für den Fachmann aufgrund seines Fachwissens ohne Probleme zu bewältigen und bedarf daher an dieser Stelle keiner detaillierten Erläuterung.
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Um nun im Bordnetz auftretende Spitzenlasten, d. h. kurzfristig auftretende Spitzenströme zur Verfügung stellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in diesen Fällen einen direkten Abgriff von Strom aus einer Untergruppe der Speicherzellen des Energiespeichers quasi als Boostfunktion parallel zum Ausgang des DCDC-Wandlers dem Bordnetz zuzuschalten.
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Ein derartiger Abgriff direkt an Zellen des Energiespeichers erfolgt bevorzugt bei einer Spannungslage, die ungefähr der Größe der Nennspannung des Bordnetzes entspricht. D. h., für den Abgriff wird bevorzugt ein Verbindungsknoten zwischen zwei Speicherzellen des Energiespeichers gewählt, an dem die Knotenspannung in einem zulässigen Spezifikationsbereich der ersten Nennspannung ist, bevorzugt in etwa gleich der Nennspannung ist.
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Die Ausgangsspannung (open circuit voltage, OCV) von Batteriezellen ist gewöhnlich abhängig von deren aktuellem Ladezustand (state of charge, SOC). Beispielsweise liegt die Ausgangsspannung (OCV) bei einer Lithium-Ionen-Zelle im Bereich zwischen 3 V im als entladen definierten Zustand (d. h. 0% SOC) bis 4,1 V (Ladeschlussspannung) im geladenen Zustand (d. h. 100% SOC); die Entladeschlussspannung bei Lithium-Ionen-Zellen liegt tatsächlich bei ca. 2,5 V und darf nicht unterschritten werden.
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Wenn nun zur zusätzlichen Speisung des Bordnetzes ein Verbindungsknoten verwendet wird, dessen Knotenspannung von drei in Reihe geschalteten Batteriezellen gebildet wird, ergibt sich je nach Ladezustand der Batteriezellen ein Spannungsbereich von 9 V bis 12,3 V. Ein Spannungspegel von 9 V liegt bei einigen Bordnetzsteuergeräten bereits außerhalb der Spezifikation und wäre somit nicht erlaubt. Wird dagegen zur zusätzlichen Speisung des Bordnetzes ein Verbindungsknoten verwendet, dessen Knotenspannung von vier in Reihe geschalteten Batteriezellen gebildet wird, ergibt sich je nach Ladezustand der Batteriezellen ein Spannungsbereich von 12 V bis 16,4 V. Hier würde beim oberen Spannungswert die Spezifikation für die Bordnetzspannung verletzt werden. Auch würde die Lebensdauer von an das Bordnetz angeschlossenen Leuchtmitteln bei einer zu hohen Bordnetzspannungen verkürzt werden.
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Daher wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Prinzips vorgeschlagen, die schaltbare Verbindung zwischen wenigsten zwei durch eine unterschiedliche Anzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen bereitgestellte Spannungslagen zur Berücksichtigung des aktuellen Ladezustand der Speicherzellen umschalten zu können.
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Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Versorgung eines Bordnetzes mit einer ersten Nennspannung mit elektrischer Energie aus einem mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Speicherelemente umfassenden Energiespeicher, der ein weiteres Versorgungsnetz mit einer zweiten Nennspannung speist, die höher als die erste Nennspannung ist, weist auf: eine Spannungswandlereinrichtung, die eingangsseitig mit der zweiten Nennspannung und ausgangsseitig mit dem Bordnetz verbunden ist und für einen vorbestimmten Maximalstrom zur Versorgung an das Bordnetz angeschlossene elektrische Verbraucher dimensioniert ist; und eine schaltbare Verbindung zwischen dem Bordnetz und wenigstens einem zwischen zwei Speicherelementen des Energiespeichers liegenden elektrischen Verbindungsknoten, an dem eine Spannung anliegt, die in einem zulässigen Spezifikationsbereich der ersten Nennspannung liegt. Wie vorstehend erläutert, entspricht der für die Dimensionierung der Spannungswandlereinrichtung betrachtete Maximalstrom einem Strom, der vom Bordnetz bei durchschnittlicher Dauerlast gezogen wird.
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Mit der erfindungsgemäß bei im Bordnetz kurzfristig auftretenden Spitzenstrombedarf hergestellten direkten Verbindung zu einer Untergruppe von Speicherelementen des Energiespeichers, kann zusätzlich zum vorbestimmten Maximalstrom, der seitens der Spannungswandlereinrichtung an das Bordnetz geliefert wird, Strom direkt durch die angezapften Speicherelemente des Energiespeichers geliefert werden. Dabei wird darauf geachtet, dass die Spannungslage an dem Verbindungsknoten, zu dem die schaltbare Verbindung zum Bordnetz hergestellt wird, in einem vorbestimmten Spezifikationsbereich für die erste Nennspannung liegt. Diese Kombination ermöglicht es besonders vorteilhaft, den für die Dauerlast im Bordnetz ausgelegten DCDC-Wandler besonders klein und effizient auszulegen. Dies wirkt sich unmittelbar auf die Herstellungskosten als auch auf das Volumen-/Gewicht-Verhältnis der gesamten Anordnung aus.
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Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung ist die schaltbare Verbindung bevorzugt zwischen dem Bordnetz und wahlweise wenigstens einem ersten elektrischen Verbindungsknoten (zwischen einem ersten und einem zweiten Speicherelement des Energiespeichers) und einem zweiten Verbindungsknoten (zwischen einem dritten und einem vierten Speicherelement des Energiespeichers), in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand der Speicherzellen und damit vom aktuellen Spannungslevel an den Verbindungsknoten herstellbar.
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Besonders bevorzugt ist der erste Verbindungsknoten so gewählt, dass bei vollgeladenen Speicherelementen die Spannung am ersten Verbindungsknoten im vorbestimmten Spezifikationsbereich für die erste Nennspannung liegt. Der zweite Verbindungsknoten ist unter Berücksichtigung der Zellchemie der Speicherelemente so gewählt, dass je nach Ladezustand der Speicherelemente die schaltbare Verbindung vom ersten Verbindungsknoten zum zweiten Verbindungsknoten umgeschaltet werden kann, sodass dann die Spannung am zweiten Verbindungsknoten in einem vorbestimmten Spezifikationsbereich für die erste Nennspannung liegt. Bei Lithium-Ionen-Zellen können beispielsweise das zweite Speicherelement und das dritte Speicherelemente identisch sein.
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Durch das Vorsehen der wahlweisen Umschaltmöglichkeit an der schaltbaren Verbindung zwischen zwei Spannungslagen an jeweiligen Verbindungsknoten der Speicherelemente des Energiespeichers, kann besonders vorteilhaft sichergestellt werden, dass unabhängig vom Ladezustand der Speicherelemente des Energiespeichers die Spannungslage an dem Verbindungsknoten in einem zulässigen Spezifikationsbereich für die Bordnetzspannung liegt, d. h. bevorzugt etwa der Nennspannung des Bordnetzes entspricht.
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Zur Steuerung der schaltbaren Verbindung sowie Auswahl der am Energiespeicher direkt angezapften Spannungslagen zwischen zwei benachbarten Speicherzellen des Energiespeichers, kann eine entsprechend eingerichtete Steuerschaltung vorgesehen sein. Die Steuerschaltung kann hierzu beispielsweise über eine entsprechende Signalisierungsleitung und/oder einen entsprechend am Ausgang der Spannungswandlereinrichtung vorgesehenen Stromsensors verbunden sein, um, wenn der Strombedarf im Bordnetz den vorbestimmten Maximalstrom überschreitet, die schaltbare Verbindung zu einem Verbindungsknoten herzustellen. Die Steuerschaltung kann bei der vorteilhaften Weiterbildung weiter eingerichtet sein, abhängig vom Ladezustand der Speicherelemente zwischen dem ersten Verbindungsknoten und dem zweiten Verbindungsknoten umzuschalten, sodass die Spannung am geschalteten Verbindungsknoten in einem zulässigen Spezifikationsbereich für die Bordnetzspannung liegt.
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Bevorzugt ist in der schaltbaren Verbindung zwischen dem Bordnetz und wenigstens dem ersten bzw. dem zweiten Verbindungsknoten ein Stromventil, beispielsweise ein Leistungshalbleiter nach Art einer Diode, beispielsweise eine TVS-Diode, vorgesehen, sodass Strom vom Energiespeicher nur in Richtung des Bordnetzes fließen kann.
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Die Aufgabe wird weiter mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Versorgung eines Bordnetzes mit einer ersten Nennspannung mit elektrischer Energie aus einem mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Speicherelemente umfassenden Energiespeicher, der ein weiteres Versorgungsnetz mit einer zweiten Nennspannung speist, die höher als die erste Nennspannung ist, gelöst, wobei das Verfahren aufweist: Wandeln der zweiten Nennspannung in die erste Nennspannung mit einem Spannungswandler, der ausgangsseitig mit dem Bordnetz verbunden und dimensioniert ist, an das Bordnetz angeschlossene elektrische Verbraucher bis zu einem vorbestimmten Maximalstrom mit elektrischer Energie zu versorgen; und wenn ein Strombedarf im Bordnetz größer als der vorbestimmte Maximalstrom ist, Herstellen bzw. Schalten einer Verbindung zwischen dem Bordnetz und wenigstens einem elektrischen Verbindungsknoten zwischen zwei Speicherelementen des Energiespeichers, an dem eine Knotenspannung in einem zulässigen Spezifikationsbereich für die Bordnetzspannung liegt, d. h. bevorzugt etwa der Nennspannung des Bordnetzes entspricht.
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Das Verfahren kann weiter aufweisen, dass in Abhängigkeit vom Ladezustand der Speicherelemente des Energiespeichers die geschaltete Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Verbindungsknoten zwischen jeweils zwei Speicherelementen des Energiespeichers umzuschalten, sodass die Spannung am geschalteten Verbindungsknoten in einem zulässigen Spezifikationsbereich für die Bordnetzspannung liegt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich besonders zum Einsatz in elektrifizierten Fahrzeugen, d. h. elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere einem elektrisch angetriebenen Automobil oder Motorrad, mit wenigstens einem Bordnetz mit einer ersten Nennspannung, einem mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Speicherelemente umfassenden Energiespeicher als Antriebs- oder Traktionsbatterie, der mit einem weiteren Versorgungsnetz mit einer zweiten Nennspannung zur Speisung wenigstens eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie verbunden ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel ist nicht abschließend zu verstehen, sondern hat lediglich beispielhaften Charakter zur Erläuterung der Erfindung.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 detailliert beschrieben. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns und ist nicht beschränkend aufzufassen. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten zur Anwendung kommen können. Bekannte Schaltungen, Strukturen und Verfahren werden nicht im Detail gezeigt oder erläutert, um das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht zu erschweren.
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In dem in 1 gezeigten Prinzipschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist ein Zellmodul 1 einer Traktionsbatterie bzw. Antriebsbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, wie beispielsweise ein elektrisch betriebenes Automobil oder Motorrad gezeigt.
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Das Zellmodul 1 weist einen Energiespeicher 3 mit einzelnen Speicherelementen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n auf. Die Speicherelemente können aus einer oder mehreren Speicherzellen (nicht gezeigt), wie beispielsweise Ultracap-Kondensatoren, oder Primärbatteriezellen, wie beispielsweise Li-Ionen-Zellen, aufgebaut sein. Der Bereich der genutzten Ausgangsspannungen von Lithium-Ionen-Zellen liegt, wie oben bereits erläutert, im Bereich zwischen 3 V als entladen definiertem Zustand (d. h. 0% SOC) bis 4,1 V im geladenen Zustand (d. h. 100% SOC). Daher kann anhand der aktuellen Ausgangsspannung auch auf den Ladezustand geschlossen werden. Es können mehreren Speicherzellen pro Speicherelement 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n eingesetzt werden, wobei die Speicherzellen intern elektrisch parallel und/oder in Reihe verschaltet sein können. Ein Speicherelement weist gewöhnlich eine Nennspannung von kleiner 5 V auf. Elektrische Antriebsmotoren hingegen werden meist mit Spannungen von einigen 10 bis einigen 100 V betrieben. Im Energiespeicher 3 des Zellmoduls 1 sind daher zur Bereitstellung einer weit höhere Ausgangsspannung (+Um/–Um) als die Nennspannung Uz eines der Speicherelemente 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n diese in Reihe verschaltetet. Das Zellmodul 1 speist als Antriebsbatterie mit seiner Ausgangsspannung als Potentialdifferenz zwischen +Um/–Um ein Versorgungsnetz 7, welches im Wesentlichen einen elektrischen Antrieb des Fahrzeugs als Verbraucher enthalten kann.
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Zusätzlich zum Versorgungsnetz 7 für den elektrischen Antrieb existiert in Fahrzeugen üblicherweise ein Bordspannungsnetz 9 mit einer geringeren Nennspannung, üblicherweise 12 V, wobei aber auch z. B. 6 V, 24 V, 42 V oder 48 V oder andere zur Anwendung kommen können. Dieses Bordnetz 9 versorgt Verbraucher wie beispielsweise eine Motorsteuerung, Lichtanlage oder das eingangs genannte ABS-System der Bremsanlage oder andere. Üblicherweise sind Komponenten zur Ausstattung von Fahrzeugen für eine Bordnetzspannung von 12 V Nennspannung ausgelegt.
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In der 1 ist stellvertretend für alle an das Bordnetz angeschlossenen Verbraucher das Bordnetz 9 symbolisch als Ohm'scher Verbraucher dargestellt. Um erfindungsgemäß das Bordnetz 9 mit der dort vorgesehenen Bordnetzspannung als eine erste Nennspannung zu versorgen, wird eine erfindungsgemäße Einrichtung 11 zur Versorgung des Bordnetzes 9 eingesetzt.
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Die Einrichtung 11 weist zunächst als ein zentrales Element einen DCDC-Wandler 13 als Spannungswandlereinrichtung auf. Der DCDC-Wandler 13 ist ein Gleichspannungswandler und weist hierzu eine elektrische Schaltung auf, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau umwandelt. Diese Spannungsumsetzung kann in bekannterer Weise mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher erfolgen.
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Eingangsseitig ist der DCDC-Wandler
13 über Versorgungsleitungen
15-1 und
15-2 mit dem Zellmodul
1 verschaltet. Das heißt, bei dem DCDC-Wandler
13 handelt es sich um einen Wandler, der die vom Zellmodul
1 ausgangsseitig zur Verfügung gestellte Gleichspannung zwischen den Anschlüssen +U
m und –U
m auf die niedrigere erste Nennspannung des Bordnetzes
9 wandelt. Die für die Funktion des DCDC-Wandlers
13 erforderliche Schaltungstechnik ist dem Fachmann wohlbekannt und muss hier nicht näher erläutert werden. Beispielsweise sind hierfür grundsätzlich geeignete DCDC-Wandler Prinzipien in der eingangs erwähnten
DE 102 20 939 A1 erläutert bzw. sei auf das Buch von
Ottmar Kilgenstein mit dem Titel „Schaltnetzteile in der Praxis", 3. Auflage, Vogel Buchverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0 verwiesen.
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Erfindungsgemäß ist der DCDC-Wandler 13 für die üblicherweise im Bordnetz durchschnittlich auftretende Dauerlast hinsichtlich eines an seinem Ausgang 17 abgebbaren Dauerstroms dimensioniert. Das heißt, der DCDC-Wandler 13 ist für einen vorbestimmten Maximalstrom zur Versorgung des Bordnetzes 9 dimensioniert. Durch die Orientierung am durchschnittlich auftretenden Durchschnittsstrombedarf des Bordnetzes 9 kann der DCDC-Wandler 9 sehr klein und effizient ausgelegt werden.
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Um höheren Strombedarf seitens des Bordnetzes 9 durch beispielsweise Steuergeräte mit hohen kurzzeitigen Leistungsansprüchen, wie beispielsweise das eingangs genannte ABS-System der Bremsanlage versorgen zu können bzw. ein Einbrechen der Bordnetzspannung zu vermeiden, ist eine schaltbare Verbindung 19 zwischen dem Bordnetz 9 und wenigstens einem ersten zwischen zwei Speicherelementen 5-3 und 5-4 liegenden elektrischen Verbindungsknoten 21-1 vorgesehen.
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Die Auswahl des ersten Verbindungsknotens 21-1 orientiert sich dabei im Wesentlichen an der je nach verwendeten Primärzellen bzw. der Primärzelle zugrunde liegenden Zellchemie vorliegenden Zellnennspannung eines einzelnen Speicherelements 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n derart, dass bei einem vollgeladenen Energiespeicher 3 (SOC = 100%), die erste Spannung am Verbindungsknoten 21-1 bevorzugt annähernd gleich der ersten Nennspannung des Bordnetzes 9 ist. D. h., da bei beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen als Primärzellen die Zellspannung bei Ladeschluss ca. 4,1 V beträgt, bilden drei in Reihe verschaltete Primärzellen bereits eine Ausgangsspannung von 12,3 V.
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Bei erhöhtem Strombedarf im Bordnetz 9 schaltet eine Steuerschaltung 22 über ein steuerbares Schaltelement 24 die schaltbare Verbindung 19 ein und stellt eine Verbindung zu einer Untergruppe aus beispielsweise Speicherelementen 5-1, 5-2 und 5-3 des Zellmoduls 1 zwischen dem ersten Verbindungsknoten 21-1 und dem Ausgang 17 des DCDC-Wandlers 13 und somit zum Bordnetz 9 her. D. h., im Falle eines Energiespeichers 3 gebildet aus vollgeladenen Lithium-Ionen-Zellen, liegt am ersten Verbindungsknoten 21-1 eine Knotenspannung von 12,3 V an und es kann zusätzlich Strom aus den Speicherelementen 5-1, 5-2 und 5-3 in das Bordnetz 9 gespeist werden.
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In der schaltbaren Verbindung 19 ist weiter ein Stromventil 26 zwischengeschaltet, welches beispielsweise ein Leistungshalbleiter mit Diodenfunktion, beispielsweise eine TVS-Diode sein kann. Die Steuerschaltung 22 ist im Ausführungsbeispiel über eine Steuerleitung 28-1 mit dem DCDC-Wandler 13 verbunden, so dass bei erhöhtem Strombedarf im Bordnetz 9 eine entsprechende Signalisierung an die Steuerschaltung 22 zur Zuschaltung der schaltbaren Verbindung 19 über eine entsprechende Steuerleitung 30 erfolgen kann.
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Wie erläutert, sinkt mit abnehmendem Ladezustand der Speicherzellen des Energiespeichers 3 auch die Ausgangsspannung der Speicherzellen. Bei Lithium-Ionen-Zellen liegt die Entladeschlussspannung bei ca. 3 V, d. h. die Knotenspannung am ersten Verbindungsknoten 21-1 kann bis auf ca. 9 V sinken. Da 9 V für die Bordnetzspannung außerhalb der Spezifikation der meisten Verbrauchergeräte liegt, wird für die schaltbare Verbindung abhängig vom aktuellen Ladezustand der Speicherzellen wenigstens noch ein zweiter Verbindungsknoten mit einer höheren Spannungslage verwendet.
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Hierzu ist weiter eine Auswahlschaltung 32 in der schaltbaren Verbindung 19 vorgesehen, mittels welcher die schaltbare Verbindung 19 direkt an eine erweiterte Untergruppe aus den Speicherelementen 5-1, 5-2, 5-3 und 5-4 des Zellmoduls 1 über eine Steuerleitung 34 durch die Steuerschaltung 22 abhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n umgeschaltet werden kann.
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Das heißt, über die Schalteinrichtung 32 kann die Steuerschaltung 22 den Abgriff vom ersten Verbindungsknoten 21-1 auf einen zweiten Verbindungsknoten 21-2 mit einer höheren Spannungslage als der ersten Verbindungsknoten 21-1 umschalten.
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Die Steuerschaltung 22 kann beispielsweise mit der Ausgangsspannung des Energiespeichers 3 über eine Sensorleitung 28-2 oder auch mit der Spannung auf der schaltbaren Verbindung 19 über eine Sensorleitung 28-3 verbunden sein. Da die jeweilige Spannung ein unmittelbares Maß für den Ladezustand der Speicherzellen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n bzw. Untergruppen der Speicherzellen ist, kann die Steuerschaltung 22 von diesen Spannungen ableiten, auf welchen Verbindungsknoten 21-1, 21-2 die schaltbaren Verbindung 19 umgeschaltet werden muss.
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Besonders einfach könnte die Schalteinrichtung 32 grundsätzlich nach einer Aufladung des Energiespeichers 3 auf den Verbindungsknoten 21-1 geschaltet werden. Die Steuerschaltung 22 überwacht dann lediglich die Sensorleitung 28-3 und schaltet über die Schalteinrichtung 32 die Verbindung 19 auf den Verbindungsknoten 21-2 um, sobald die Spannung an der Sensorleitung 28-3 unter eine bestimmte Schwelle sinkt.
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Durch die Umschaltmöglichkeit zwischen wenigstens zwei Spannungslagen bei der schaltbaren Verbindung 19 kann so der Ladezustand der Speicherzellen berücksichtigt werden, sodass bei besonders hohen Spitzenstromanforderungen aus dem Bordnetz 9 die Bordnetzspannung, d. h. die erste Nennspannung weitgehend stabil gehalten werden kann.
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Da die nur einem Teil der Speicherelemente des Zellmoduls 1 entnommene Boostenergie über die schaltbare Verbindung 19 zu ungleichen Entladungszuständen in allen parallel geschalteten Speicherelementen des Zellmoduls 1 führt, kann eine Symmetrierung der Ladezustände in den einzelnen Speicherelementen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n des Energiespeicher 3 über eine sogenannte Balancing-Funktionalität 36 wieder hergestellt werden. Hierzu sind zwischen der Balancing-Funktionalität 36 und allen Speicherelementen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n des Energiespeicher 3 entsprechende Verbindungsleitungen 38-1, 38-2, ... 38-n, 38-(n + 1) vorgesehen.
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Im einfachsten Fall ist die Balancing-Funktionalität
36 eingerichtet, die weniger entladenen Speicherelemente
5-4 bzw.
5-5 bis
5-n durch Entladung auf den Ladezustand der das Bordnetz stützenden Speicherelemente
5-1 bis
5-4 bzw.
5-5 anzugleichen. Alternativ könnte hier auch eine Ansatz wie in der
DE 102 20 393 A1 beschrieben, zur Anwendung kommen. D. h., Strom der noch stärker geladenen Speicherzellen
5-4 bzw.
5-5 bis
5-n kann auch gezielt in entladenen Zellen
5-1,
5-2,
5-3, und ggf.
5-4 beispielsweise mittels einer Schaltung mit Ladungspumpenfunktion (charge pump) transferiert werden.
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Im Betrieb arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung 11 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Versorgung des Bordnetzes 9 mit einer ersten Nennspannung +Ub/–Ub mit elektrischer Energie aus den mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Speicherelementen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n als Energiespeicher 3, der das Versorgungsnetz 7 mit einer zweiten Nennspannung +Um/–Um speist, die höher als die erste Nennspannung ist, wie folgt.
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Zunächst wird die zweite Nennspannung in die erste Nennspannung mit dem DCDC-Wandler 13, der an seinem Ausgang 17 mit dem Bordnetz 9 verbunden ist, gewandelt. Der DCDC-Wandler 13 ist dimensioniert, an das Bordnetz 9 angeschlossene elektrische Verbraucher bis zu einem vorbestimmten Maximalstrom mit elektrischer Energie versorgen zu können.
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Wenn ein Strombedarf im Bordnetz 9 größer als der vorbestimmte Maximalstrom ist, stellt die Steuerschaltung 22 über die Steuerleitung 30 unter Berücksichtigung des aktuellen Ladezustands der Speicherelemente 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n die schaltbare Verbindung 19 zwischen dem Bordnetz 9 und dem ersten elektrischen Verbindungsknoten 21-1 zwischen den zwei Speicherelementen 5-3 und 5-4 oder dem zweiten elektrischen Verbindungsknoten 21-2 zwischen den zwei Speicherelementen 5-4 und 5-4 des Zellmoduls 1 als Energiespeicher her. Die Auswahl des Verbindungsknotens 21-1 oder 21-2 erfolgt so, dass die Knotenspannung an dem gewählten Verbindungsknoten 21-1 oder 21-2 in einem zulässigen Spezifikationsbereich der ersten Nennspannung liegt.
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Bei vollgeladenen Speicherelementen 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n wird die schaltbare Verbindung zu dem ersten Verbindungsknoten 21-1 hergestellt, an dem die Spannung dann im vorbestimmten Spezifikationsbereich für die erste Nennspannung liegt.
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Wenn aufgrund zunehmender Entladung der Speicherelemente 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, ..., 5-n, z. B. durch Speisung des Antriebs im Versorgungsnetz 7, die einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet, schaltet die Steuerschaltung 22 über das Schaltelement 32 die schaltbare Verbindung 19 von dem ersten Verbindungsknoten 21-1 auf den zweiten Verbindungsknoten 21-2 um, der zwischen den Speicherelementen 5-4 und 5-5 liegt. Die zweite Knotenspannung am zweiten elektrischen Verbindungsknoten 21-2 ist dann um den Wert der aktuellen Zellspannung Uz des Speicherelements 5-4 größer als die erste Knotenspannung am ersten Verbindungsknoten 21-1. Durch diese Umschaltung auf eine zweite Spannungslage besteht zwischen dem Anzapfpunkt (Verbindungsknoten 21-2) des Zellmoduls 1 und dem Bordnetz 9 weiter eine ausreichende Spannungsdifferenz, so dass ein Einbrechen der Bordnetzspannung wirksam verhindert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10220939 A1 [0003, 0031]
- DE 10220393 A1 [0044]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Ottmar Kilgenstein mit dem Titel „Schaltnetzteile in der Praxis”, 3. Auflage, Vogel Buchverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0 [0031]
