DE102014201348A1

DE102014201348A1 - Method for operating a vehicle electrical system

Info

Publication number: DE102014201348A1
Application number: DE102014201348.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30
Also published as: CN105934860B; WO2015110579A1; KR20160114677A; KR101841559B1; JP2017506498A; JP6190077B2; CN105934860A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) für zumindest einen Niederspannungsverbraucher (29) und ein Hochspannungsteilnetz (20) für zumindest einen Hochspannungsverbraucher (25) und einen Starter-Generator (30) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz (20) Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz (21) zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) eine Batterie (40) aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz (20) auszugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41) mit Einzelspannungsabgriffen (80) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41) auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz (21) zuzuschaltende Batterieeinheit (41) in folgenden Schritten erfolgt: a) Trennen einer Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41); b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41) zu dem Niederspannungsteilnetz (21); c) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41) von dem Niederspannungsteilnetz (21); d) Verbinden der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz (21) abgeschalteten Batterieeinheit (41) und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41). Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemanagementsystem und ein Computerprogramm, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Bordnetz und ein Kraftfahrzeug, auf welchen das Verfahren ausgeführt werden kann.The invention relates to a method for operating a vehicle electrical system (1) for a motor vehicle, the vehicle electrical system (1) comprising a low-voltage sub-network (21) for at least one low-voltage consumer (29) and a high-voltage sub-network (20) for at least one high-voltage consumer (25) and a starter Generator (30), wherein the high voltage subnetwork (20) is connected to the low voltage subnetwork (21) via a coupling unit (33) which is adapted to extract and supply power to the high voltage subnetwork (20) to the low voltage subnetwork (21) High voltage subnet (20) comprises a battery (40) which is adapted to generate the high voltage and output to the high voltage subnetwork (20), and the at least two battery units (41) with Einzelspannungsabgriffen (80) which is connected to the coupling unit (33). are guided, wherein the coupling unit (33) is adapted to selectively supply the battery units (41) to the low voltage subnet (21) Switch, characterized in that a change of a first, the low voltage subnet (21) switched battery unit (41) to a second, the low voltage subnet (21) zuzuschaltende battery unit (41) in the following steps: a) disconnecting a line between the first, switched and the second battery unit (41) to be connected; b) connecting the second, zuzuschaltenden battery unit (41) to the low voltage subnet (21); c) switching off the first, connected battery unit (41) from the low voltage subnet (21); d) connecting the line between the first, from the low voltage subnet (21) disconnected battery unit (41) and the second, the low voltage subnet (21) switched on battery unit (41). The invention also relates to a battery management system and a computer program, which are set up to carry out the method, as well as a vehicle electrical system and a motor vehicle, on which the method can be carried out.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug. The invention relates to a method for operating a vehicle electrical system for a motor vehicle.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemanagementsystem und ein Computerprogramm, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Bordnetz und ein Kraftfahrzeug, auf welchen das Verfahren ausgeführt werden kann.The invention also relates to a battery management system and a computer program, which are set up to carry out the method, as well as a vehicle electrical system and a motor vehicle, on which the method can be carried out.

In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 Volt betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer Starterbatterie eine Spannung einem Starter zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie wieder auf. Wird die Batterie über das Bordnetz geladen, kann die tatsächliche Spannung auch über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V. Das Bordnetz mit 12 V, bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als ein Niederspannungsbordnetz bezeichnet.In motor vehicles with an internal combustion engine, an electrical system is provided for supplying the electric starter or starter for the internal combustion engine and other electrical devices of the motor vehicle, which is operated by default with 12 volts. When the internal combustion engine is started, a voltage is made available to a starter via the electrical system of a starter battery, which starts the internal combustion engine when, for example, a switch is closed by a corresponding starter signal. If the internal combustion engine is started, this drives an electric generator, which then generates a voltage of about 12 volts and provides it via the electrical system to the various electrical consumers in the vehicle. The electric generator also charges the starter battery charged by the starting process. If the battery is charged via the electrical system, the actual voltage may also be above the rated voltage, eg. B. at 14 V or at 14.4 V. The electrical system with 12 V, or 14 V voltage is referred to in the present disclosure as a low-voltage electrical system.

Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer Nennspannung von 48 V zu verwenden, welches im Rahmen der Erfindung auch als ein Hochspannungsbordnetz bezeichnet wird.It is known to use in electrical and hybrid vehicles, another electrical system with a nominal voltage of 48 V, which is referred to in the context of the invention as a high voltage electrical system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen Starter-Generator aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz auszugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zuzuschalten. Ein Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz zuzuschaltende Batterieeinheit erfolgt dabei in folgenden Schritten:

a) Trennen einer Leitung zwischen einer ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit;
b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem Niederspannungsteilnetz;
c) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz;
d) Verbinden der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit.

The inventive method relates to an electrical system for a motor vehicle, wherein the electrical system comprises a low voltage subnet for at least one low voltage consumer and a high voltage subnet for at least one high voltage consumer and a starter generator, wherein the high voltage subnet is connected to the low voltage subnet via a coupling unit, which is set, the High voltage subnet to extract energy and the low voltage subnet, wherein the high voltage subnet comprises a battery which is adapted to generate the high voltage and output to the high voltage subnet, and having at least two battery units with Einzelspannungsabgriffen, which are guided to the coupling unit, wherein the coupling unit established is to selectively connect the battery units to the low voltage subnet. A changeover between a first battery unit connected to the low-voltage subnetwork and a second battery unit to be connected to the low-voltage subnetwork takes place in the following steps:

a) disconnecting a line between a first, switched-on and the second, zuzuschaltenden battery unit;
b) connecting the second, zuzuschaltenden battery unit to the low voltage subnet;
c) switching off the first, connected battery unit of the low voltage subnet;
d) connecting the line between the first, disconnected from the low voltage subnet battery unit and the second, the low voltage subnet connected battery unit.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische Verbraucher betrieben werden können, die auf eine niedrige erste Spannung ausgelegt sind, und für Hochleistungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d.h. das Teilbordnetz mit der gegenüber der ersten Spannung erhöhten Spannung. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes wird den Lade- und Entladevorgängen im Hochspannungsteilnetz überlagert. Die Niederspannungsteilnetzversorgung über das Hochspannungsteilnetz findet dabei unidirektional statt, d. h. die Koppeleinheit stellt den Energietransfer bevorzugt nur in eine Richtung bereit. The invention has the advantage that it can be operated by the low voltage subnet electrical consumers, which are designed for a low first voltage, and for high-power consumers, the high-voltage sub-network is ready, i. the sub-board network with the voltage compared to the first voltage increased. The supply of the low voltage subnetwork is superimposed on the charging and discharging processes in the high voltage subnetwork. The low voltage subnetwork supply via the high voltage subnetwork takes place unidirectionally, d. H. The coupling unit preferably provides the energy transfer only in one direction.

Das Verfahren bietet ein vorteilhaftes Umschaltkonzept, welches erlaubt, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei erfolgt, d.h., dass auch bei Umschaltvorgängen das Niederspannungsteilnetz aus mindestens einer Batterieeinheit versorgt wird. Hierdurch können Spannungseinbrüche im Niederspannungsteilnetz auch ohne zusätzliche Puffereinrichtungen vermieden werden. Die Batterie steht während der Umschaltvorgänge dem Hochspannungsteilnetz weiterhin als Speicher zur Verfügung. Dabei kann die Spannung kurzzeitig unter dem Nennwert liegen, es ist jedoch ein Energiefluss in beiden Richtungen, d.h. Laden und Entladen der Batterie, möglich.The method offers an advantageous switching concept, which allows the supply of the low-voltage subnetwork without interruption, that is, even during switching operations, the low-voltage subnet is supplied from at least one battery unit. As a result, voltage dips in the low voltage subnet can be avoided without additional buffer devices. The battery is still available to the high voltage subnet as memory during the switching operations. In this case, the voltage may briefly be below the nominal value, but it is an energy flow in both directions, i. Charging and discharging the battery, possible.

Die Begriffe „Batterie“ und „Batterieeinheit“ werden in der vorliegenden Beschreibung, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, einen Modulstrang oder einen Batteriepack bezeichnen können. Die Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können so genannte Batteriedirektkonverter (BDC, battery direct converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, battery direct inverter).The terms "battery" and "battery unit" are used in the present description, adapted to common usage, used for accumulator or Akkumulatoreinheit. The battery includes one or more battery units that may designate a battery cell, a battery module, a module string, or a battery pack. The battery cells are preferably spatially combined and interconnected by circuitry, for example, serially or parallel to Interconnected modules. Several modules can form so-called battery direct converters (BDCs), and several battery direct converters form a battery direct inverter (BDI).

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich. Advantageous developments and improvements of the method specified in the independent claim are possible by the measures listed in the dependent claims.

So ist von Vorteil, wenn die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind. Die Batterieeinheiten können damit abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start-Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheit führt.It is advantageous if the selectively switchable battery units are each designed to provide the low voltage. The battery units can thus be alternately claimed to provide the low voltage, z. B. to support a start-stop system, resulting in an increased life of the battery unit.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen rückwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die rückwärtssperrfähigen Schalter zur Zu- und Wegschaltung einer selektiv zuschaltbaren Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz. Diese Schalter besitzen die Eigenschaft, dass sie im Zustand „ein“ einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und im Zustand „aus“ eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. According to a preferred embodiment, the coupling unit has at least one reverse-blocking switch. Preferably, the reverse-blocking switch for connecting and disconnecting a selectively switchable battery unit to the low voltage subnet are. These switches have the property that in the "on" state, they allow current to flow in only one direction and, in the "off" state, they can absorb a blocking voltage of either polarity.

Bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt b) werden bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit im Schritt c) werden ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt.When connecting the second battery unit to be switched on in step b), preferably at least one reverse-blocking switch, more preferably two reverse-blocking-capable switches, are actuated. When the first, connected battery unit is switched off in step c), at least one reverse-blocking switch, particularly preferably two reverse-blocking switch, are likewise preferably actuated.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter zur Serienschaltung der selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung der Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt a) zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird.According to a preferred embodiment, the coupling unit has at least one reverse-blocking switch. The forward blocking switches are preferably suitable for the series connection of the selectively switchable battery units. It is preferably provided that in the separation of the line between the first, switched on and the second battery unit to be switched on in step a), at least one reverse-blocking switch is actuated. Likewise, it is preferably provided that at least one reverse-blocking switch is actuated when connecting the line between the first battery unit switched off by the low-voltage subnetwork and the second battery unit connected to the low-voltage subnetwork.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit nach der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem Niederspannungsteilnetz im Schritt b) und vor der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz im Schritt c), bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei stark abweichenden Ladezuständen der beiden Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit erfolgt, welche den höheren Ladezustand aufweist bzw. die höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus beiden Batterieeinheiten versorgt.According to a preferred embodiment, the first, connected battery unit and the second battery unit to be switched on are after the connection of the second battery unit to be switched to the low voltage subnet in step b) and before the disconnection of the first, connected battery unit from the low voltage subnet in step c), with respect to Low voltage subnet connected in parallel. This makes it possible that in strongly different states of charge of the two battery units, a supply of the low voltage subnet from that battery unit is carried out, which has the higher state of charge or provides the higher voltage. For the same or similar states of charge of the battery units, the low-voltage subnet is supplied from both battery units.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit bzw. die erste, abgeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zugeschaltete Batterieeinheit, bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet. Besonders bevorzugt sind die erste und die zweite Batterieeinheit, bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet und benachbart. Falls ein Wechsel auf eine nicht direkt benachbarte Batterieeinheit erforderlich ist, werden mehrere Umschaltvorgänge in kurzer Abfolge nacheinander durchgeführt, sodass in jedem Umschaltvorgang benachbarte Batterieeinheiten involviert sind.According to a preferred embodiment, the first battery unit connected and the second battery unit to be switched on or the first battery unit switched off and the second battery unit connected are connected in series with the line connected between them with respect to the high-voltage subnetwork. Particularly preferably, the first and the second battery unit, with a connected line between them, with respect to the high-voltage sub-network connected in series and adjacent. If a change to a not directly adjacent battery unit is required, several switching operations are performed in quick succession, so that adjacent battery units are involved in each switching operation.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen Kondensator aufweist. Der Kondensator ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Niederspannung bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit weiter zu stabilisieren. Die Dimensionierung des Kondensators ist dabei bevorzugt gemäß

gewählt, wobei I_max der maximale Bordnetzstrom ist, der während Umschaltvorgängen im Niederspannungsteilnetz fließen soll, t_umschalt die Zeitdauer, während der keine Batterieeinheit für die Versorgung bereitsteht, und ΔU_max die maximal zulässige Veränderung der Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs. Der Kondensator eignet sich außerdem bevorzugt auch als ein Energiespeicher, welcher eingerichtet ist, zumindest kurzfristig die Niederspannung zu erzeugen und an das Niederspannungsteilnetz auszugeben.In addition, it can be provided that the low-voltage subnetwork has at least one capacitor. The capacitor is preferably configured to further stabilize the low voltage when changing the connected battery unit. The dimensioning of the capacitor is preferred according to

chosen, where I_Max is the maximum on-board electrical system current that is to flow during switching operations in the low voltage subnet, t_Shift the period during which no battery unit is ready for supply, and ΔU_Max the maximum permissible change in the vehicle electrical system voltage during the changeover process. The capacitor is also preferably also suitable as an energy store, which is set up to generate the low voltage at least in the short term and to output it to the low voltage subnet.

Der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz kann weiter vorteilhaft verringert werden, wenn die Umschaltung zu solchen Zeitpunkten erfolgt, bei denen der Bordnetzstrom möglichst gering ist. Dieses kann beispielsweise durch Auswertung eines Signals für den Bordnetzstrom und davon abhängiger Ansteuerung der Schalter der Koppeleinheit erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine Synchronisierung mit einem Verbrauchermanagementsystem erfolgen, um Hochleistungsverbraucher, wie z.B. Heizsysteme, kurzzeitig ohne Komforteinbußen abzuschalten, um den Umschaltvorgang der Batterieeinheiten ohne nennenswerten Spannungseinbruch zu ermöglichen.The voltage dip in the low-voltage subnetwork can be further advantageously reduced if the switchover occurs at such times when the on-board electrical system current is as low as possible. This can be done, for example, by evaluating a signal for the vehicle electrical system current and from it dependent control of the switches of the coupling unit. In addition, a synchronization with a consumer management system can be done to shut down high-performance consumers, such as heating systems, for a short time without sacrificing comfort, to allow the switching of the battery units without significant voltage dip.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung einer Einrichtung zum Betrieb eines Bordnetzes oder um ein Modul zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems eines Fahrzeugs handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium, oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher, wie einer CD-ROM, DVD, Blu-ray Disk, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich und alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung, wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.The invention also proposes a computer program according to which one of the methods described herein is performed when the computer program is executed on a programmable computer device. The computer program can be, for example, a module for implementing a device for operating an electrical system or a module for implementing a battery management system of a vehicle. The computer program may be stored on a machine-readable storage medium, such as on a permanent or rewritable storage medium, or in association with a computing device, such as a portable storage such as a CD-ROM, DVD, Blu-ray Disc, USB stick, or the like memory card. Additionally and alternatively, the computer program may be provided for download on a computing device, such as on a server or a cloud server, for example via a data network, such as the Internet, or a communication link, such as a telephone line or a wireless link.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt, welches Einrichtungen aufweist, um eines der beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes durchzuführen. Insbesondere weist das Batteriemanagementsystem eine Einheit auf, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit so anzusteuern, dass Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz zugeschaltet und weggeschaltet werden. According to the invention, a battery management system (BMS) is also provided, which has means for carrying out one of the described methods for operating a vehicle electrical system. In particular, the battery management system has a unit which is set up to control the coupling unit such that battery units are connected to the low-voltage subnet and switched off.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Bordnetz angegeben, auf welchem eines der beschriebenen Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell und bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel miteinander zu koppeln.According to the invention, an electrical system is also specified, on which one of the described methods can be carried out, wherein the coupling unit is set up to couple the battery units with respect to the high-voltage sub-network in series and with respect to the low-voltage sub-network in parallel.

Das Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen. Insbesondere kann das Bordnetz bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp-Systeme aufweisen.The electrical system can be used both in stationary applications, e.g. in wind turbines, as well as in vehicles, e.g. in hybrid and electric vehicles. In particular, the electrical system can be used in vehicles that have start-stop systems.

Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und das Batteriemanagementsystem eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die einen 48-Volt-Generator und einen 14-Volt-Starter aufweisen, wobei der 14-Volt-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. The presented system, d. H. the electrical system and the battery management system is particularly suitable for use in vehicles having a 48 volt generator and a 14 volt starter, the 14 volt starter is preferably designed for start / stop systems.

Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die ein sogenanntes Boost-Rekuperationssystem (BRS) aufweisen. Bei Boost-Rekuperationssystemen (BRS) wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das BRS erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im Hochspannungsteilnetz unterstützt entweder den Verbrennungsmotor, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder es wird bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken sogar für rein elektrisches Fahren eingesetzt, z.B. bei einem elektrischen Ein- und Ausparken. The presented system is particularly suitable for use in vehicles that have a so-called boost recuperation system (BRS). Boost recuperation systems (BRS) generate electrical energy during braking, downhill or sail operation to supply the electrical consumers. The BRS increases the efficiency of the system so that fuel can be saved or emissions can be reduced. The battery in the high voltage subnetwork either supports the internal combustion engine, which is called a boost, or it is even used at low speeds for short distances even for purely electric driving, e.g. with an electric parking and Ausparken.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz. According to the invention also discloses a motor vehicle, with an internal combustion engine and a vehicle electrical system described above.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem für Fahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, beispielsweise mit einem 48-Volt-Generator, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperationssystem mit unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender DC/DC-Wandler entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie. Außerdem ist kein separater Starter im Niederspannungsteilnetz nötig. Das Boost-Rekuperationssystem kann bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen BRS-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.The invention provides a low-cost vehicle electrical system with a lithium-ion battery system for vehicles, which has a high voltage subnet, for example with a 48 volt generator, a low voltage subnet and a boost recuperation system with unidirectional supply of the low voltage subnet. This can be compared to known systems a potential-separating DC / DC converter omitted, and the lead-acid battery. In addition, no separate starter in the low voltage subnet is needed. The Boost recuperation system, with a suitable design compared to BRS systems currently under development, can store significantly more energy and thereby recover more electrical energy in the system during longer braking or downhill driving.

Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Betriebsstrategie, welche die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei ermöglicht. The proposed method according to the invention comprises an operating strategy which enables the supply of the low voltage subnet without interruption.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it

1 ein Niederspannungsbordnetz nach dem Stand der Technik, 1 a low-voltage electrical system according to the prior art,

2 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler, 2 a vehicle electrical system with a high-voltage sub-network and a low-voltage sub-network and a unidirectional, potential-separating DC / DC converter,

3 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler, 3 a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a low voltage subnetwork and a bi-directional, potential-separating DC / DC converter,

4 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler, 4 an electrical system with a high-voltage sub-network and a low-voltage sub-network and a unidirectional, galvanically non-separating DC / DC converter,

5 eine Koppeleinheit, 5 a coupling unit,

6 die Koppeleinheit aus 5 in einem beispielhaften Betriebszustand, und 6 the coupling unit off 5 in an exemplary operating state, and

7 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter. 7 reverse and reverse inhibit switches.

1 zeigt ein Bordnetz 1 nach dem Stand der Technik. Beim Starten eines Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz 1 von einer Starterbatterie 10 eine Spannung einem Starter 11 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter 12 geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13 an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf. 1 shows a wiring system 1 According to the state of the art. When starting an internal combustion engine is via the electrical system 1 from a starter battery 10 a tension a starter 11 provided which starts the internal combustion engine (not shown) when, for example, by a corresponding starter signal a switch 12 is closed. When the combustion engine is started, it drives an electric generator 13 on, which then generates a voltage of about 12 volts and the electrical system 1 the various electrical consumers 14 in the vehicle. The electric generator 13 It also charges the starter battery loaded by the starting process 10 back up.

2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 22, der eine Koppeleinheit zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers, sein. 2 shows a wiring system 1 with a high voltage subnet 20 and a low voltage subnet 21 and a unidirectional, isolated DC / DC converter 22 , which is a coupling unit between the high voltage subnet 20 and the low voltage subnet 21 forms. The electrical system 1 may be an electrical system of a vehicle, in particular a motor vehicle, transport vehicle or forklift.

Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-Volt-Bordnetz mit einem elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs eine elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst weiterhin eine Batterie 24, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die nötige Betriebsspannung dem Hochspannungsteilnetz auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Lastwiderstände 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden. The high voltage subnet 20 is for example a 48-volt electrical system with an electric generator 23 which is operable by an internal combustion engine (not shown). The generator 23 is formed in this embodiment, in response to a rotational movement of the engine of the vehicle to generate electrical energy and in the high voltage subnet 20 feed. The high voltage subnet 20 further includes a battery 24 , which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is adapted to output the necessary operating voltage to the high voltage subnet. In the high voltage subnet 20 are further load resistors 25 arranged, which may be formed for example by at least one, preferably by a plurality of electrical consumers of the motor vehicle, which are operated with the high voltage.

Im Niederspannungsteilnetz 21, welches ausgangsseitig an dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet ist, befinden sich ein Starter 26, der eingerichtet ist, einen Schalter 27 zu schließen um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, eine Nennspannung in Höhe von 12 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind weitere Verbraucher 29 angeordnet, die mit der Niederspannung betrieben werden. Der Energiespeicher 28 umfasst beispielsweise galvanische Zellen, insbesondere solche einer Blei-Säurebatterie, welche in vollgeladenem Zustand (state of charge, SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 Volt aufweist. Bei entladener Batterie (state of charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 Volt auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 Volt und 15 Volt. In the low voltage subnetwork 21 , which on the output side to the DC / DC converter 22 is located, there is a starter 26 which is set up, a switch 27 to close to start the engine, as well as an energy storage 28 , which is set up, a rated voltage of 12 V for the low voltage subnet 21 provide. In the low voltage subnetwork 21 are more consumers 29 arranged, which are operated with the low voltage. The energy storage 28 includes, for example, galvanic cells, in particular those of a lead-acid battery, which in the fully charged state (state of charge, SOC = 100%) usually has a voltage of 12.8 volts. When the battery is discharged (state of charge, SOC = 0%), the energy storage device 28 unloaded a terminal voltage of typically 10.8 volts. The vehicle electrical system voltage in the low-voltage subnetwork 21 is in driving mode, depending on the temperature and state of charge of the energy storage 28 , approximately in the range between 10.8 volts and 15 volts.

Der DC/DC-Wandler 22 ist eingangsseitig mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und mit dem Generator 23 verbunden. Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgangsseitig mit dem Niederspannungsteilnetz 21 verbunden. Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgebildet, eine eingangsseitig empfangene Gleichspannung, beispielsweise eine Gleichspannung, mit der das Hochspannungsteilnetz betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 Volt, zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche von der eingangsseitig empfangenen Spannung verschieden ist, insbesondere eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche kleiner ist als die eingangsseitig empfangene Spannung, beispielsweise 12 V oder 14 V. The DC / DC converter 22 is input side with the high voltage subnet 20 and with the generator 23 connected. The DC / DC converter 22 is the output side with the low voltage subnet 21 connected. The DC / DC converter 22 is configured to receive a DC voltage received on the input side, for example a DC voltage with which the high voltage subnet is operated, for example between 12 and 48 volts, and to generate an output voltage which is different from the voltage received on the input side, in particular to produce an output voltage which is smaller than the voltage received on the input side, for example 12 V or 14 V.

3 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21, welche durch einen bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 31 verbunden sind. Das dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in 2 dargestellte Bordnetz ausgebildet, wobei der Generator im Hochspannungsteilnetz eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den Teilbordnetzen 20, 21 ein DC/DC-Wandler 31 zum Einsatz kommt, der potentialtrennend ausgeführt ist. In beiden Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, 28 und Verbraucher 25, 29 angeordnet, wie mit Bezug zu 2 beschrieben. Im Wesentlichen unterscheidet sich das in 3 dargestellte System durch die Einbindung des Starters. Während in dem in 2 dargestellten System der Starter 26 im Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet ist und hierdurch der DC/DC-Wandler 22 unidirektional für einen Energietransport vom Hochspannungsteilnetz 20 in das Niederspannungsteilnetz 21 ausgelegt sein kann, wird bei der in 3 dargestellten Architektur ein Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingesetzt. In diesem Fall ist der DC/DC-Wandler 31 bidirektional ausgeführt, sodass die Lithium-Ionen-Batterie 24 ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des Niederspannungsfahrzeugs erfolgt dann über die Niederspannungsschnittstelle und den DC/DC-Wandler 31. 3 shows a wiring system 1 with a high voltage subnet 20 and a low voltage subnet 21 , which by a bidirectional, potential-separating DC / DC converter 31 are connected. The illustrated electrical system 1 is essentially like that in 2 formed electrical system, wherein the generator is integrated in the high voltage subnet and for the energy transfer between the sub-board networks 20 . 21 a DC / DC converter 31 is used, which is designed to isolate potential. In both subnets 20 . 21 are in addition batteries 24 . 28 and consumers 25 . 29 arranged as related to 2 described. In essence, that differs in 3 illustrated system by the involvement of the starter. While in the in 2 illustrated system of the starter 26 in the low voltage subnetwork 21 is arranged and thereby the DC / DC converter 22 unidirectional for energy transport from the high voltage subnetwork 20 into the low voltage subnet 21 can be designed at the in 3 illustrated architecture a starter generator 30 in the high voltage subnet 20 used. In this case, the DC / DC converter 31 Bidirectional running, so the lithium-ion battery 24 if necessary via the low voltage subnetwork 21 can be loaded. The jump start of the low-voltage vehicle then takes place via the low-voltage interface and the DC / DC converter 31 ,

4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21, beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Fahrzeugen mit einem 48-Volt-Generator, einem 14-Volt-Starter und einem Boost-Rekuperationssystem. 4 shows a wiring system 1 with a high voltage subnet 20 and a low voltage subnet 21 For example, an electrical system 1 a vehicle, in particular a motor vehicle, transport vehicle or forklift. The electrical system 1 is particularly suitable for use on vehicles with a 48 volt generator, a 14 volt starter and a boost recuperation system.

Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen Starter-Generator 30, welcher einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) starten kann und von diesem betreibbar ist. Der Starter-Generator 30 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Lastwiderstände 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden. The high voltage subnet 20 includes a starter generator 30 which can start an internal combustion engine (not shown) and is operable by this. The starter generator 30 is configured to generate electrical energy in response to a rotational movement of the engine of the vehicle and into the high voltage subnet 20 feed. In the high voltage subnet 20 are further load resistors 25 arranged, which may be formed for example by at least one, preferably by a plurality of electrical consumers of the motor vehicle, which are operated with the high voltage.

Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die Betriebsspannung von 48 Volt dem Hochspannungsteilnetz auszugeben. Die Lithium-Ionen-Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 Volt bevorzugt eine Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können. The high voltage subnet 20 also includes a battery 40 , which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is adapted to output the operating voltage of 48 volts the high voltage subnet. The lithium-ion battery 40 has at a rated voltage of 48 volts, preferably a minimum capacity of about 15 Ah in order to store the required electrical energy can.

Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf, wobei den Batterieeinheiten 41 mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt.The battery 40 has several battery units 41-1 . 41-2 , ... 41-n on, taking the battery units 41 associated with several battery cells, which are usually connected in series and partly in addition to each other in parallel to the required power and energy data with the battery 40 to achieve. The individual battery cells are, for example, lithium-ion batteries with a voltage range of 2.8 to 4.2 volts.

Den Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n sind Einzelspannungsabgriffe 80-11, 80-12, 80-21, 80-22, ... 80-n1, 80-n2 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgabe, zumindest eine der Batterieeinheiten 41 der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetzt 21 zu dessen Betrieb oder Unterstützung durchzuschalten.The battery units 41-1 . 41-2 , ... 41-n are single voltage taps 80-11 . 80-12 . 80-21 . 80-22 , ... 80-n1 . 80-n2 assigned, via which the voltage of a coupling unit 33 is supplied. The coupling unit 33 has the task, at least one of the battery units 41 the battery 40 to the low voltage part 21 to switch to its operation or support.

Die Koppeleinheit 33 koppelt das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V. Der Aufbau und die Funktionsweise der Koppeleinheit 33 werden mit Bezug zu den 5 und 6 beschrieben. The coupling unit 33 couples the high voltage subnet 20 with the low voltage subnet 21 and provides the output side of the low voltage subnet 21 the necessary operating voltage ready, for example, 12 V or 14 V. The structure and operation of the coupling unit 33 be related to the 5 and 6 described.

Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lithium-Ionen-Batterie 40 die Versorgung von Ruhestromverbrauchern, welche als Verbraucher 25, 29 dargestellt sind, bei abgestelltem Fahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Fahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie während der Standzeit die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird. The low voltage subnet 21 includes the low-voltage consumers 29 , which are designed for example for operation at 14 V voltage. According to one embodiment, it is provided that the lithium-ion battery 40 the supply of closed circuit consumers who are consumers 25 . 29 are shown, takes over when the vehicle is parked. For example, it may be provided that in this case the requirements of the so-called airport tests are met, wherein after six weeks of service life, the vehicle is still bootable and the battery during the service life, the quiescent currents of the low-voltage consumers 29 in the low voltage subnetwork 21 provides, for example, an anti-theft alarm system is powered.

Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Hochleistungsspeicher 28 oder Pufferspeicher angeordnet, der kurzzeitig sehr hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist. Der Hochleistungsspeicher 28 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41 weiter vermieden werden. Wird als Hochleistungsspeicher 28 ein Kondensator eingesetzt, so ist dessen Dimensionierung bevorzugt:

wobei I_max der maximale Bordnetzstrom ist, der während der Umschaltvorgänge im Bordnetz fließen kann, t_umschalt die Zeitdauer, während welcher keine Batterieeinheit 41 für die Versorgung bereit steht, und ΔU_max die maximal zulässige Veränderung der Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs.In the low voltage subnetwork 21 is optionally a high performance memory 28 or buffer memory arranged, which can briefly deliver very high power, that is optimized for high performance. The high performance storage 28 fulfills the purpose that overvoltages when switching the battery units 41 be further avoided. Used as a high performance memory 28 a capacitor is used, its dimensioning is preferred:

where I _{max is} the maximum on-board electrical system current that can flow during the switching operations in the electrical system, t _switch the time during which no battery unit 41 is ready for the supply, and ΔU _max the maximum permissible change in the vehicle electrical system voltage during the switching process.

Das in 4 dargestellte Bordnetz kann weiterhin ein Batteriemanagementsystem (BMS) umfassen (nicht dargestellt). Das Batteriemanagementsystem umfasst ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie 40 bzw. der Batterieeinheiten 41 zu erfassen, zu verarbeiten und hieraus beispielsweise Aussagen über den Gesundheitszustand der Batterie 40 zu treffen. Das Batteriemanagementsystem umfasst dabei eine Einheit, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit 33 so zu regeln, dass diese die Batterieeinheiten 41 selektiv im Niederspannungsteilnetz 21 zuschalten kann.This in 4 On-board electrical system can continue to be a battery management system (BMS) include (not shown). The battery management system comprises a control unit, which is set up, measurement data on temperatures, voltages provided, discharged currents and charge states of the battery 40 or the battery units 41 to record and process and from this, for example, statements about the health of the battery 40 hold true. The battery management system in this case comprises a unit which is set up, the coupling unit 33 so that these are the battery units 41 selectively in the low voltage subnetwork 21 can switch on.

5 zeigt eine Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45, welche die Eigenschaft aufweisen, dass sie in einem Zustand „ein“ einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und in einem zweiten Zustand „aus“ eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einfachen Halbleiterschaltern, wie z.B. IGBT-Schaltern, da diese in Rückwärtsrichtung aufgrund ihrer intrinsischen Diode keine Sperrspannung aufnehmen können. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromflussrichtung sind in 5 zwei verschiedene Schaltertypen eingezeichnet, nämlich RSS_l 45 und RSS_r 44, die sich in ihrer Fertigung nicht unterscheiden, sondern lediglich mit unterschiedlicher Polarität verbaut sind. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 wird mit Bezug zu 7 beschrieben. 5 shows a coupling unit 33 , which is designed as a unidirectional, galvanically non-isolated DC-DC converter (DC / DC converter). The coupling unit 33 includes reverse blocking switches 44 . 45 which have the property that in a state "on" they allow current to flow in only one direction and in a second state "off" they can absorb a blocking voltage of both polarities. This is an essential difference to simple semiconductor switches, such as IGBT switches, since they can not absorb reverse voltage in the reverse direction due to their intrinsic diode. Due to the dependence on the current flow direction are in 5 drawn two different types of switches, namely RSS_l 45 and RSS_r 44 , which do not differ in their production, but are installed only with different polarity. An example of the closer construction of the reverse-blocking switch 44 . 45 is related to 7 described.

In der Koppeleinheit 33 sind die Einzelabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 jeweils einem der unterschiedlichen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45 und RSS_r 44 zugeführt. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 mit dem Pluspol 52 verschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf den Minuspol 51 geschaltet. In the coupling unit 33 are the individual taps 80 the battery units 41 each one of the different reverse blocking switch RSS_l 45 and RSS_r 44 fed. The reverse blocking switch RSS_l 45 are the output side of the coupling unit 33 with the positive pole 52 interconnected, and the reverse blocking switch RSS_r 44 are the output side of the coupling unit 33 on the negative pole 51 connected.

Die Koppeleinheit 33 umfasst vorwärtssperrfähige Schalter 90, welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter 90 wird mit Bezug zu 7 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 werden die Einzelabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 verbinden die Batterieeinheiten 41 seriell miteinander, falls die Schalter 90 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41 ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 angeordnet, sodass sich bei n Batterieeinheiten 41n–1 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1, VSS 90-2, ... VSS 90-n–1 vorgesehen sind. The coupling unit 33 includes reverse blocking switches 90 which may be, for example, standard semiconductor switches. An example of the closer structure of the non-forward switch 90 is related to 7 described. In the coupling unit 33 become the individual taps 80 the battery units 41 branched and parallel to the reverse blocking switches each a forward inhibitable switch VSS 90 fed. The non-reverse switch VSS 90 connect the battery units 41 serially with each other, if the switches 90 are closed. It is between two battery units 41 a non-reverse switch 90 arranged so that at n battery units 41n-1 non-reverse switch VSS 90-1 , VSS 90-2 , ... VSS 90-n-1 are provided.

Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41 zugeschaltet ist bzw. sind. In keinem der Betriebszustände weist eines der Potentiale jedoch einen Betrag auf, der eine Spannungsgrenze in Höhe der Summe der Hochspannung und der Niederspannung überschreitet, d.h. bei einem 48-Volt-Netz und einem 14-Volt-Netz in etwa 62 Volt. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des Niederspannungsteilnetzes auftreten. The voltage level of the high voltage subnetwork 20 based on the mass of the low voltage subnetwork 21 depends on which of the battery units 41 is switched on or are. In none of the operating states, however, does any of the potentials have an amount that exceeds a voltage limit equal to the sum of the high voltage and the low voltage, that is, approximately 62 volts for a 48 volt mains and a 14 volt mains. However, negative potentials can occur with respect to the ground of the low voltage subnetwork.

Der Betrieb des Starter-Generators 30 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes. In der durchgeschalteten Batterieeinheit 41, die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Starter-Generator 30 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (Motorbetrieb). Solange die zulässigen Grenzen der Batteriezellen, z.B. der maximal zulässige Entladestrom der Zellen, nicht überschritten werden, können diese Vorgänge unabhängig voneinander betrachtet werden. Damit das Niederspannungsteilnetz 21 sicher versorgt wird, wird immer zumindest eine der Batterieeinheiten 41 über die zugehörigen Schalter 44, 45, 90 der Koppeleinrichtung 33 zugeschaltet. Aufgrund der mehrfach redundanten Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 kann mit der vorgestellten Architektur ein System aufgebaut werden, welches eine sehr hohe Verfügbarkeit der elektrischen Energie im Niederspannungsteilnetz aufweist.The operation of the starter-generator 30 is independent of the operation of the coupling unit 33 and the supply of the low voltage subnet. In the through-connected battery unit 41 that the low voltage subnet 21 supplied, results in a superposition by the low voltage sub-network power and possibly from the starter-generator 30 in the entire battery 40 fed charging current (generator operation) or by the entire battery 40 removed discharge current (motor operation). As long as the permissible limits of the battery cells, eg the maximum permissible discharge current of the cells, are not exceeded, these processes can be considered independently of each other. So the low voltage subnet 21 is safely supplied, is always at least one of the battery units 41 via the associated switches 44 . 45 . 90 the coupling device 33 switched on. Due to the multiple redundant supply of the low voltage subnet 21 can be built with the architecture presented a system that has a very high availability of electrical energy in the low voltage subnet.

6 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus den Batterieeinheiten 41-1, 41-2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-i, RSS_l 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j und den geöffneten vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, welcher sich zwischen den Batterieeinheiten 44-1, 44-2 befindet. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-i über die erste Batterieeinheit 44-1 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS__r 44-j zum Minuspol 51. Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-j über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41-2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51. Da der Schalter 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41-1 und die zweite Batterieeinheit 41-2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Der Pluspol der ersten Batterieeinheit 41-1 ist elektrisch hochohmig geschaltet. 6 shows the supply of the low voltage subnetwork 21 exemplarily from the battery units 41-1 . 41-2 via the activated reverse blocking switch RSS_l 45-i , RSS_l 45-j , RSS_r 44-i , RSS_r 44-j and the open reverse inhibit switch VSS 90-1 which is located between the battery units 44-1 . 44-2 located. From the positive pole 52 leads a first rung 71 via a reverse blocking switch RSS_l 45-i over the first battery unit 44-1 and via the further reverse blocking switch RSS__r 44-j to the negative pole 51 , From the positive pole 52 also carries another rung 72 via the reverse blocking switch RSS_l 45-j via the second through-connected battery unit 41-2 via the further reverse blocking switch RSS_r 44-i to the negative pole 51 , Because the switch 90-1 open, are the first battery unit 41-1 and the second battery unit 41-2 connected in parallel with respect to the low voltage subnetwork. The positive pole of the first battery unit 41-1 is electrically switched high impedance.

Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 schlägt die Erfindung ein Umschaltverfahren vor, bei welchem in einem ersten Schritt a) die Leitung zwischen der ersten zugeschalteten Batterieeinheit, hier beispielhaft die Batterieeinheit 41-1, und der zweiten zugeschalteten Batterieeinheit, hier beispielhaft die Batterieeinheit 41-2, mittels des in der Leitung angeordneten vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90-1 getrennt wird. Nach dem Schritt a) hat die Batterie 40 eine Gesamtspannung von 36 Volt, welche dem Hochspannungsteilnetz 20 bereitgestellt wird, sodass dem Hochspannungsteilnetz 20 ein bidirektionaler Energiefluss ermöglicht ist. Die weiteren Batterieeinheiten 41-2, ... 41-n bilden dabei eine Serienschaltung von n – 1 Batterieeinheiten. For uninterrupted supply of the low voltage subnetwork 21 the invention proposes a switching method in which, in a first step a), the line between the first connected battery unit, here by way of example the battery unit 41-1 , and the second connected battery unit, here exemplified the battery unit 41-2 , by means of the in-line arranged reverse blocking switch VSS 90-1 is disconnected. After the step a) has the battery 40 a total voltage of 36 volts, which is the high voltage subnet 20 is provided so that the high voltage subnet 20 a bidirectional flow of energy is enabled. The other battery units 41-2 , ... 41-n form a series connection of n - 1 battery units.

In einem zweiten Schritt b) erfolgt daraufhin, mit einer Verzögerung, deren Dauer im Wesentlichen von Eigenschaften der eingesetzten Schalter 44, 45, 90 abhängt, die Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit 41-2 zu dem Niederspannungsteilnetz 21. 6 zeigt den Zustand nach Schritt b) in dem die beiden Batterieeinheiten 41-2 und 41-1 parallel geschaltet sind.In a second step b), thereupon, with a delay, the duration of which essentially depends on the characteristics of the switches used 44 . 45 . 90 depends, the connection of the second, zuzuschaltenden battery unit 41-2 to the low voltage subnet 21 , 6 shows the state after step b) in which the two battery units 41-2 and 41-1 are connected in parallel.

Die Verzögerung zwischen dem Aus- und Einschalten ist erforderlich, da sonst die Spannung im Niederspannungsteilnetz 21 während der Übergangsphase in allen Schaltvorgängen auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde, in dem in 6 dargestellten Fall auf die Summe der Spannungen der Teilbatterien 41-1 und 41-2, also auf den doppelten Wert. Wenn die Koppeleinrichtung 33 mit einer Verzögerungszeit geschaltet wird, bedeutet dies aber, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 kurzzeitig unterbrochen wird. Um einen unzulässigen Spannungseinbruch zu vermeiden, kann gemäß einigen Ausführungsformen eine Pufferung mittels des Kondensators 28 vorgenommen werden, wie mit Bezug zu 4 beschrieben. The delay between switching off and on is required, otherwise the voltage in the low voltage subnetwork 21 during the transitional phase would rise to impermissibly high values in all switching operations, in which 6 illustrated case on the sum of the voltages of the sub-batteries 41-1 and 41-2 that is twice the value. When the coupling device 33 is switched with a delay time, but this means that the supply of the low voltage subnet 21 is temporarily interrupted. In order to avoid an inadmissible voltage dip, buffering by means of the capacitor may, according to some embodiments 28 be made as related to 4 described.

In einem dritten Schritt c) erfolgt, falls ein Wechsel der dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41 vorgesehen ist, die Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit 41-1 von dem Niederspannungsteilnetz 21. In einem vierten Schritt d) wird die Verbindung der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz 21 abgeschalteten Batterieeinheit 41-1 und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41-2 über den vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 wieder hergestellt. Nach der Wiederherstellung der Verbindung ist die Kommutierung von der ersten auf die zweite Batterieeinheit abgeschlossen, ohne dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 unterbrochen wurde. In a third step c) takes place, if a change of the low voltage subnet 21 switched battery unit 41 is provided, the shutdown of the first, connected battery unit 41-1 from the low voltage subnet 21 , In a fourth step d), the connection of the line between the first, from the low voltage subnet 21 switched off battery unit 41-1 and the second, the low voltage subnet 21 switched battery unit 41-2 via the reverse inhibit switch VSS 90-1 restored. After the restoration of the connection, the commutation is completed from the first to the second battery unit, without the supply of the low voltage subnet 21 was interrupted.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im Schritt a) sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter 90 ausgeschaltet werden. Der Starter-Generator 30 speist in der Umschaltphase keine Energie in das Hochspannungsteilnetz und arbeitet auch nicht im Boostbetrieb. Mit kurzer Verzögerung, deren Dauer von Eigenschaften der eingesetzten Schalter abhängt, werden die rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 der zugeordneten zuzuschaltenden Batterieeinheit oder Batterieeinheiten 41 eingeschaltet. Somit kann die Umschaltung auch zwischen nicht direkt benachbarten Batterieeinheiten 41 erfolgen.According to further embodiments of the method, it can be provided that in step a) all non-forward-locking switches 90 turned off. The starter generator 30 does not feed any energy into the high-voltage sub-network during the switching phase and does not work in boost mode either. With a short delay, the duration of which depends on the characteristics of the switches used, the backward blocking switches 44 . 45 the associated zuzuschaltenden battery unit or battery units 41 switched on. Thus, the switching between not directly adjacent battery units 41 respectively.

7 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern 90. Die Durchlassrichtung ist dabei mit I angegeben. Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET oder Bipolartransistor 101 und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In 8 ist ein MOSFET 101 dargestellt, welcher eine mit dargestellte, intrinsische Diode 102 aufweist. Die zu dem MOSFET 101 in Serie geschaltete Diode 103 ist entgegen der Richtung der intrinsischen Diode 102 des MOSFET 101 gepolt. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSS_r 44 lässt den Strom in Durchlassrichtung I durch und sperrt in entgegengesetzter Richtung. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSS_l 45 entspricht dem RSS_r 44, wird lediglich mit der umgekehrten Polarität verbaut, so dass die Durchlass- und Sperrrichtungen vertauscht sind. Ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 umfasst einen MOSFET, IGBT oder Bipolartransistor 101, wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist. Die Schalter RSS_l 45, RSS_r 44 und VSS 90 zeichnen sich insbesondere auch durch eine kaum merkliche Verzögerung bei den Schaltvorgängen aus, d. h. erlauben eine sehr kurze Umschaltdauer. Über eine geeignete Ansteuerschaltung kann die Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten der Schalter sehr genau eingestellt werden. 7 shows a possible construction of reverse blocking switches 44 . 45 and reverse inhibit switches 90 , The forward direction is indicated by I. A reverse-blocking switch RSS_r 44 includes, for example, an IGBT, MOSFET or bipolar transistor 101 and a diode connected in series 103 , In 8th is a MOSFET 101 which is an intrinsic diode shown with 102 having. Which to the MOSFET 101 series connected diode 103 is opposite to the direction of the intrinsic diode 102 of the MOSFET 101 poled. The reverse blocking switch RSS_r 44 lets the current in the forward direction I and locks in the opposite direction. The reverse blocking switch RSS_l 45 corresponds to the RSS_r 44 , is only installed with the reverse polarity, so that the forward and reverse directions are reversed. A reverse inhibit switch 90 includes a MOSFET, IGBT or bipolar transistor 101 , wherein its intrinsic diode 102 is shown with. The switches RSS_l 45 , RSS_r 44 and VSS 90 are characterized in particular by a barely noticeable delay in the switching operations, ie allow a very short switching time. By means of a suitable drive circuit, the time delay between switching off and switching on the switches can be set very precisely.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Method for operating a vehicle electrical system ( 1 ) for a motor vehicle, the on-board network ( 1 ) a low voltage subnet ( 21 ) for at least one low-voltage consumer ( 29 ) and a high voltage subnet ( 20 ) for at least one high voltage consumer ( 25 ) and a starter generator ( 30 ), wherein the high voltage subnetwork ( 20 ) with the low voltage subnet ( 21 ) via a coupling unit ( 33 ), which is set up, the high voltage subnetwork ( 20 ) And the low voltage subnet ( 21 ), the high voltage subnetwork ( 20 ) one Battery ( 40 ), which is designed to generate the high voltage and to the high voltage subnet ( 20 ), and the at least two battery units ( 41 ) with single voltage taps ( 80 ), which are connected to the coupling unit ( 33 ) are guided, wherein the coupling unit ( 33 ), the battery units ( 41 ) the low voltage subnet ( 21 ), characterized in that a change of a first, the low voltage subnet ( 21 ) connected battery unit ( 41 ) to a second, the low voltage subnet ( 21 ) to be connected battery unit ( 41 ) in the following steps: a) disconnecting a line between the first, switched on and the second, to be connected battery unit ( 41 ); b) Connecting the second battery unit to be connected ( 41 ) to the low voltage subnet ( 21 ); c) switching off the first, connected battery unit ( 41 ) from the low voltage subnet ( 21 ); d) connecting the line between the first and the low voltage subnetwork ( 21 ) disconnected battery unit ( 41 ) and the second, the low voltage subnet ( 21 ) connected battery unit ( 41 ).

Method according to claim 1, characterized in that the battery units ( 41 ) are each designed to provide the low voltage.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling unit ( 33 ) reverse-blocking switches ( 44 . 45 ) and at the connection of the second, zuzuschaltenden battery unit ( 41 ) in step b) at least one reverse blocking switch ( 44 . 45 ) is pressed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling unit ( 33 ) reverse-blocking switches ( 44 . 45 ) and at the shutdown of the first, connected battery unit ( 41 ) in step c) at least one reverse blocking switch ( 44 . 45 ) is pressed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling unit ( 33 ) non-reverse switches ( 90 ) and in the separation of the line between the first, switched on and the second battery unit to be connected ( 41 ) in step a) at least one reverse-blocking switch ( 90 ) is pressed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first, connected battery unit ( 41 ) and the second battery unit to be connected ( 41 ) after the connection of the second, zuzuschaltenden battery unit ( 41 ) to the low voltage subnet ( 21 ) in step b) and before switching off the first, connected battery unit ( 41 ) from the low voltage subnet ( 21 ) in step c), with respect to the low voltage subnet ( 21 ) are connected in parallel.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first, connected battery unit ( 41 ) and the second battery unit to be connected ( 41 ), with the line connected between them, with respect to the high voltage subnetwork ( 20 ) are connected in series and adjacent.

Battery management system for carrying out one of the methods according to one of Claims 1 to 7, having a unit for controlling the coupling unit ( 33 ) for switching the battery units ( 41 ).

A computer program adapted to perform any of the methods of any one of claims 1 to 7 when the computer program is executed on a programmable computer device.

Electrical system ( 1 ) on which one of the methods according to one of claims 1 to 7 can be carried out, wherein the coupling unit ( 33 ), the battery units ( 41 ) with respect to the high voltage subnetwork ( 20 ) serially and with respect to the low voltage subnet ( 21 ) in parallel with each other.

Motor vehicle with an internal combustion engine and a vehicle electrical system ( 1 ) according to claim 10.