DE102013220660A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie Kraftfahrzeug-Bordnetz - Google Patents

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Holger Jung
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator (13, 23), eine primäre Batterie (10, 20) mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie (11, 21) mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist folgende Schritte auf: Einstellen einer Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer ersten Betriebsphase auf einen ersten Wert, welcher größer als die zweite Leerlaufspannung ist, und Reduzieren dieser Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer zweiten Betriebsphase auf einen zweiten Wert, welcher zwischen der ersten Leerlaufspannung und der zweiten Leerlaufspannung liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetz.
  • 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.
  • Aus EP 2 041 862 B1 sind u.a. eine elektrische Energiequelle sowie ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Energiequelle bekannt, wobei eine Niedrigspannungsbatterie in Form einer Lithium-Ionen-Batterie und eine Niedrigspannungsbatterie in Form einer Blei-Säure-Batterie verwendet werden.
  • 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.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bereitzustellen, welche sowohl ein möglichst gutes Kaltstartverhalten als auch eine effiziente elektrische Energierückgewinnung im Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 10 gelöst.
  • Ein erfindungsgemäßes 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, weist folgende Schritte auf:
    • – Einstellen einer Sollwertspannung des Generators in einer ersten Betriebsphase auf einen ersten Wert, welcher größer als die zweite Leerlaufspannung ist; und
    • – Reduzieren dieser Sollwertspannung des Generators in einer zweiten Betriebsphase auf einen zweiten Wert, welcher zwischen der ersten Leerlaufspannung und der zweiten Leerlaufspannung liegt.
  • Dabei geht die Erfindung zunächst von der Überlegung aus, dass in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, in welchem eine primäre Blei-Säure-Batterie mit einer sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie kombiniert ist, beide Batterien in einem Betriebsbereich mit definiertem Batterieladezustand (SOC) gehalten werden sollten. Hierbei ist vorzugsweise die primäre Blei-Säure-Batterie voll aufgeladen (besitzt also einen hohen SOC-Wert), wohingegen die sekundäre Lithiumbasierende Batterie mit einem SOC-Wert im Bereich von 30% bis 70% betrieben werden sollte. Somit ist eine Ladestrategie anzustreben, bei der die Blei-Säure-Batterie voll aufgeladen bleibt, während die Lithium-basierende Batterie nur teilweise aufgeladen ist. Hierdurch wird zum einen infolge der voll aufgeladenen Blei-Säure-Batterie ein gutes Kaltstartverhalten des Kraftfahrzeuges gewährleistet, wobei zum anderen infolge der zum Teil entladenen Lithium-basierenden Batterie auch die Möglichkeit zur elektrischen Energierückgewinnung im Kraftfahrzeug geschaffen bzw. optimiert wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt nun ausgehend von dieser Überlegung insbesondere das Konzept zugrunde, durch eine geeignete Ladestrategie die Ladespannung bzw. die Sollwertspannung des Generators innerhalb der Grenzen zu steuern, welche durch die Leerlaufspannungscharakteristika der primären Blei-Säure-Batterie einerseits und der sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie anderseits vorgegeben sind.
  • Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht insbesondere die Bereitstellung eines maximalen bzw. optimalen Startvermögens des Kraftfahrzeuges durch Betrieb der Blei-Säure-Batterie bei hohem Batterieladezustand (SOC), während eine zyklische elektrische Aufladung bzw. Entladung auf Seiten der sekundären (Lithiumbasierenden) Batterie erfolgt. Aufgrund der Steuerung der Sollwertspannung des Generators bleibt die elektrische Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes auf einem stabilen und definierten Wert. Dies wird erfindungsgemäß unabhängig vom tatsächlichen aktuellen elektrischen Ladezustand des Kraftfahrzeuges erreicht. Durch Steuerung der elektrischen Spannung der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie kann der Batterieladezustand (SOC) effizient gesteuert werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ladestrategie wird der Batterieladezustand (SOC-Wert) der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie überwacht, und die elektrische Spannung dieser sekundären Batterie wird über die Einstellung der Sollwertspannung des Generators gesteuert. Hierdurch wird eine Steuerung sowohl des Batterieladezustandes (SOC) der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie als auch eine Steuerung der elektrischen Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes innerhalb kleiner Toleranzgrenzen und unabhängig vom tatsächlichen elektrischen Ladezustand des Kraftfahrzeuges ermöglicht. Der Generator liefert solange elektrischen Strom, bis der erforderliche Spannungspegel erreicht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einer klimatischen Bedingung, die sekundäre Batterie vorübergehend vom Kraftfahrzeug-Bordnetz abgekoppelt. Wenn z.B. während eines Betriebs mit vergleichsweise kalten oder vergleichsweise heißen klimatischen Bedingungen das Risiko einer Beschädigung der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie gegeben ist, kann die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie vom Kraftfahrzeug-Bordnetz abgekoppelt werden, und es kann eine herkömmliche Strategie mit konstanter Ladespannung verwendet werden. Hierbei erfolgt zwar keine kraftstoffsparende Aufladung, wobei jedoch ein übermäßiges oder zu geringes Aufladen der Batterien vermieden werden kann und das Kraftfahrzeug betriebsbereit bleibt.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein 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, wobei das Kraftfahrzeug-Bordnetz dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes;
  • 2 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes;
  • 3 ein Diagramm, in welchem typische Betriebsfenster einer erfindungsgemäß eingesetzten sekundären Lithium-basierenden Batterie dargestellt sind; und
  • 4 ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungsverläufe der in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) gemäß einer Ausführungsform aufgetragen sind.
  • 1 und 2 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung bei Realisierung der Erfindung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien.
  • 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, welcher mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sind und im generatorischen Betrieb sowohl eine Versorgungsbatterie in Form einer primären (Blei-Säure) Batterie 10 als auch Lasten bzw. Verbraucher 14 speist, ausgestattet. 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 einbzw. ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors 12 ansteuerbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Lithiumbasierenden Batterie 11 bzw. 21 z.B. während einer automatischen Abschaltung des Verbrennungsmotors zur Versorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes verwendet werden.
  • 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 (Lithiumbasierenden) 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 (Lithiumbasierten) 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.
  • 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 Lithiumbasierenden Batterie 11 bzw. 21 anderseits vorgegeben sind.
  • 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. 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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
    • EP 2041862 B1 [0003]
    • DE 102011054582 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator (13, 23), eine primäre Batterie (10, 20) mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie (11, 21) mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Einstellen einer Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer ersten Betriebsphase auf einen ersten Wert, welcher größer als die zweite Leerlaufspannung ist; und b) Reduzieren der Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer zweiten Betriebsphase auf einen zweiten Wert, welcher zwischen der ersten Leerlaufspannung und der zweiten Leerlaufspannung liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsphase eine Rückgewinnung elektrischer Energie im Kraftfahrzeug stattfindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Betriebsphase nach dieser Rückgewinnung elektrischer Energie beginnt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsphase die primäre Batterie (10, 20) voll aufgeladen ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsphase die sekundäre Batterie (11, 21) wenigstens teilweise entladen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Betriebsphase mit automatischer Abschaltung des Verbrennungsmotors die elektrische Energieversorgung des Kraftfahrzeuges zumindest überwiegend über die sekundäre Batterie (11, 21) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einer klimatischen Bedingung, die sekundäre Batterie (11, 21) vorübergehend vom Kraftfahrzeug-Bordnetz abgekoppelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Batterie (10, 20) eine Blei-Säure-Batterie ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Batterie (11, 21) eine Lithium-basierende Batterie ist.
  10. Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor (12, 22), einen Generator (13, 23), eine primäre Batterie (10, 20) mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie (11, 21) mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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