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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes.
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Blei-Säure-Batterien werden insbesondere auch in Kraftfahrzeugen mit Stopp-Start-Funktion sowie in Mikro-Hybrid-Kraftfahrzeugen eingesetzt. In herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bordnetzen, welche mit einer Blei-Säure-Batterie ausgestattet sind, wird typischerweise eine konstante Ladespannung vorgegeben, um die Blei-Säure-Batterie bei hohem Batterieladezustand (SOC) oder – im Falle einer gewünschten elektrischen Energierückgewinnung – in einem Ladezustand mit partieller Batterieaufladung zu halten.
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In zahlreichen Kraftfahrzeugen werden Technologien zur elektrischen Energierückgewinnung eingesetzt. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit solcher Technologien durch die Ladungsaufnahmefähigkeit der Blei-Säure-Batterie begrenzt. Diese Begrenzung des Aufnahmevermögens an elektrischer Ladung ist eine inhärente Eigenschaft der Blei-Säure-Batterietechnologie, wobei das Ladungsaufnahmevermögen mit zunehmender Betriebsdauer abnimmt.
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Aus
EP 2 041 862 B1 sind u.a. eine elektrische Energiequelle sowie ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Energiequelle bekannt, wobei eine Lithium-Ionen-Batterie und eine Blei-Säure-Batterie verwendet werden.
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Aus
DE 10 2011 054 582 A1 ist u.a. eine Vorrichtung zum Steuern eines Batteriesystems bekannt, wobei ebenfalls eine Blei-Sekundär-Batterie und eine Lithium-Sekundär-Batterie mit relativ zur Blei-Sekundär-Batterie höherer Leistungs- und Energiedichte verwendet werden. Halbleiterschalter in Form von MOSFETs sind sowohl mit der Lichtmaschine als auch mit der Blei-Sekundär-Batterie und der Lithium-Sekundär-Batterie elektrisch leitend verbunden und werden über eine Steuerung (ECU) derart angesteuert, dass sich im Betrieb des Verbrennungsmotors die Aufladung der Lithium-Sekundär-Batterie nahe einem Aufladungssollwert befindet. Eine variable Einstelleinheit stellt diesen Aufladungssollwert basierend auf einer Zustandsvariablen abhängig von einem regenerativen Ladezustand und/oder Entladezustand der Lithium-Sekundär-Batterie variabel ein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeug-Bordnetz sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes bereitzustellen, welche bei vergleichsweise einfachem Schaltungsaufbau sowohl ein gutes Kaltstartverhalten als auch eine effiziente elektrische Energierückgewinnung im Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie das Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator, eine primäre Batterie mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine erhöhte Energierückgewinnung dadurch zu ermöglichen, dass parallel zu einer primären Blei-Säure-Batterie eine sekundäre (insbesondere Lithium-basierende) Batterie angeschlossen und betrieben wird, wobei die elektrochemischen Eigenschaften dieser sekundären Batterie an die elektrochemischen Eigenschaften der primären Blei-Säure-Batterie in geeigneter Weise angepasst werden. Insbesondere wird die Leerlaufspannung (OCV = "open circuit voltage") der sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie höher als die Leerlaufspannung (OCV) der primären Blei-Säure-Batterie (welche z.B. 12.8 V betragen kann) gewählt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz ist hierbei derart konfiguriert, dass eine Entladung der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie ohne Entladung der primären Blei-Säure-Batterie durchführbar ist. Da dies erfindungsgemäß bereits durch die entsprechende Wahl der Werte der Leerlaufspannung der sekundären Lithium-basierenden Batterie bzw. der primären Blei-Säure-Batterie erreicht wird, werden insbesondere keine Schalter zwischen diesen Batterien benötigt, um beim Entladen der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie die gleichzeitige Entladung der primären Blei-Säure-Batterie zu verhindern.
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Die Erfindung beinhaltet weiter das Konzept, dass die primäre Blei-Säure-Batterie vorzugsweise bei einem hohen Batterieladezustand (SOC) betrieben wird, also idealerweise die Blei-Säure-Batterie voll aufgeladen ist, während die (zyklische) Ladung und Entladung durch die sekundäre (insbesondere Lithium-basierende) Batterie abgedeckt wird. Die z.B. für einen Kaltstart erforderliche Energie wird durch die primäre Blei-Säure-Batterie bereitgestellt. Eine Energierückgewinnung wird nun dadurch realisiert, dass der Generator mit hoher Ladespannung betrieben wird. Wenn die Blei-Säure-Batterie voll aufgeladen ist, wird die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie aufgeladen. Nach Abschluss der Energierückgewinnungsphase wird die Generatorspannung reduziert. Die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie wird nun automatisch entladen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Leerlaufspannung der sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie so gewählt, dass diese innerhalb des Betriebsspannungsfensters des Kraftfahrzeug-Bordnetzes liegt, welches z.B. bei einem 12 V-Kraftfahrzeugbordnetz im Bereich von 13V bis 15V (mit einem typischen Wert von z.B. 13.5V) liegen kann.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator, eine primäre Batterie mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist, wobei eine zumindest teilweise Entladung der sekundären Batterie unter Aufrechterhaltung des Ladezustandes der primären Batterie erfolgt. Hierbei werden die primäre Batterie und die sekundäre Batterie parallel geschaltet und betrieben, und es werden keine Schalter zwischen diesen Batterien benötigt, um beim Entladen der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie die gleichzeitige Entladung der primären Blei-Säure-Batterie zu verhindern.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes;
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2 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes;
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3 ein Diagramm, in welchem typische Betriebsfenster einer erfindungsgemäß eingesetzten sekundären Lithium-basierenden Batterie dargestellt sind; und
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4 ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungsverläufe der in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) gemäß einer Ausführungsform aufgetragen sind.
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1 und 2 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung bei Realisierung der Erfindung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien.
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Dabei zeigt 1 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einem Kraftfahrzeug mit automatischer Stopp-Start-Funktion. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß 1 ist mit einem Startermotor 12 sowie einem Generator 13 ausgestattet, wobei der Generator 13 mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist und im generatorischen Betrieb sowohl eine Versorgungsbatterie in Form einer primären (Blei-Säure) Batterie 10 als auch Lasten bzw. Verbraucher 14 speist. Der Startermotor 12 dient zum Starten des Verbrennungsmotors und wird in dieser Betriebsphase von der primären Batterie 10 gespeist. Mit "10a" ist ein Batteriemanagementsystem der primären Batterie 10 bezeichnet. Gemäß 1 weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz ferner eine sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 11 auf, welcher ein Schalter 16 zugeordnet ist, wobei dieser Schalter 16 über eine Schaltungssteuerung 15 abhängig vom ein- bzw. ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors 12 ansteuerbar ist.
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Des Weiteren ist gemäß 1 eine Schalteinrichtung 17 zur Abkopplung des Startermotorkreises zwecks Realisierung eines Stopp-Start-Betriebs des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Die sekundäre Batterie 11 dient in dem Kraftfahrzeug-Bordnetz von 1 auch zur Energierückgewinnung sowie zur Stabilisierung während des Stopp-Start-Betriebs.
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2 zeigt eine analoge Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug ohne automatische Stopp-Start-Funktion, wobei zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um "10" erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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3 zeigt ein Diagramm, in welchem für eine erfindungsgemäß eingesetzte sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 11 bzw. 21 typische Betriebsfenster dargestellt sind. Während gemäß 3 die Betriebsbereiche mit einem Batterieladezustand (SOC) von weniger als 10% oder mehr als 80% infolge des zu stark eingeschränkten Entlade- bzw. Ladevermögens für die Rückgewinnung elektrischer Energie im Kraftfahrzeug praktisch unbrauchbar sind, befindet sich das für die Energierückgewinnungsphase geeignete Betriebsfenster typischerweise im Bereich zwischen einem SOC von 30% und einem SOC von 80%. Des Weiteren kann gemäß 3 oberhalb eines Batterieladezustandes (SOC) von 10% die Energie der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21 z.B. während einer automatischen Abschaltung des Verbrennungsmotors zur Versorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes verwendet werden.
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4 zeigt ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungspegel-Verläufe der in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetz vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) aufgetragen sind. Dabei ist mit "A" die Leerlaufspannung (OCV = "open circuit voltage") der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie 11 bzw. 21, mit "B" die Leerlaufspannung der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20, mit "C" die Entladegrenze und mit "D" die Ladegrenze bezeichnet. Des Weiteren ist der Betriebsbereich der sekundären (Lithium-basierten) Batterie 11 bzw. 21 mit "I" bezeichnet, und der Betriebsbereich der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20 ist mit "II" bezeichnet. Die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 11 bzw. 21 besitzt eine Entladespannung, deren Wert oberhalb der charakteristischen Leerlaufspannung der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20 liegt.
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Die Ladespannung bzw. die Sollwertspannung des Generators 13 bzw. 23 wird nun erfindungsgemäß innerhalb der Grenzen gesteuert, welche durch die Leerlaufspannungen der primären Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 und der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21 anderseits vorgegeben sind.
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Hierbei ist gemäß 4 ein oberer Grenzwert der elektrischen Spannung durch das Kraftfahrzeug-Bordnetz sowie die Batteriecharakteristika vorgegeben, welcher beispielhaft bei etwa 15V liegen kann. Diese Ladespannung bzw. Sollwertspannung des Generators 13 bzw. 23 wird in einer ersten Betriebsphase, vorzugsweise während der Rückgewinnung (Rekuperation) elektrischer Energie insbesondere während eines Abbremsens des Kraftfahrzeugs, eingestellt. Die rückgewonnene elektrische Energie wird dann dadurch in das Kraftfahrzeug-Bordnetz entladen, dass die Ladespannung in einer zweiten Betriebsphase auf einen Wert (z.B. 12.8 V) verringert wird, welcher einerseits geringer als die Leerlaufspannung (OCV) der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21 ist, anderseits aber immer noch oberhalb der Leerlaufspannung (OCV) der primären Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 liegt. Dies führt zu einer Entladung der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21, während die primäre Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 nicht entladen wird.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz ist somit derart konfiguriert, dass eine Entladung der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11, 21 ohne Entladung der primären Blei-Säure-Batterie 10, 20 durchführbar ist. Dies wird erfindungsgemäß bereits durch die entsprechende Wahl der Leerlaufspannung der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11, 21 bzw. der primären Blei-Säure-Batterie 10, 20 erreicht, so dass insbesondere keine Schalter zwischen den Batterien 10, 20 bzw. 11, 21 benötigt werden, um beim Entladen der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11, 21 die gleichzeitige Entladung der primären Blei-Säure-Batterie 10, 20 zu verhindern.
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In Betriebsphasen mit automatischer Abschaltung des Verbrennungsmotors wird das vorzugsweise Kraftfahrzeug überwiegend über die sekundäre Lithium-basierende Batterie 11 bzw. 21 versorgt, während sich die primäre Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 im Standby-Modus befindet (wobei die primäre Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 zwar angeschlossen ist, jedoch nicht entladen wird).
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Während eines Neustarts des Verbrennungsmotors wird der Startermotor von der primären Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 versorgt, und das Kraftfahrzeug-Bordnetz wird von der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21 versorgt. Bei Abkopplung der Kurbelwelle im Kraftfahrzeug bleibt die elektrische Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes stabil bei dem Wert der Entladespannung der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die Bereitstellung eines maximalen bzw. optimalen Startvermögens des Kraftfahrzeuges durch Betrieb der Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 bei hohem Batterieladezustand (SOC), während auf Seiten der sekundären Lithium-basierenden Batterie 11 bzw. 21 eine zyklische elektrische Aufladung bzw. Entladung erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2041862 B1 [0004]
- DE 102011054582 A1 [0005]
