DE102014201354A1

DE102014201354A1 - Bordnetz

Info

Publication number: DE102014201354A1
Application number: DE102014201354.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz (21) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher und einem Generator 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. Dabei ist vorgesehen, dass das Hochspannungsteilnetz (20) eine Batterie (40) aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz (20) abzugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) mit Hochspannungsteilnetzschnittstellen (35) zur Koppeleinheit (33) aufweist, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuzuschalten und wobei die Koppeleinheit (33) eine Ladeeinheit (48) mit einem Ladeanschluss (37) aufweist, über welche die Batterie (40) aufladbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem derartigen Bordnetz.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.
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 V 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 V erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug 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 über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V.
Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer Nennspannung von 48 V zu verwenden.
US 2010/131217 zeigt mehrere zusammenschaltbare Lithium-Ionen-Batterien, welche jeweils aus einzelnen in Serie geschalteten Batteriemodulen bestehen, wobei die Batteriemodule in Serie geschaltete Batteriezellen aufweisen. Zum Betrieb eines Niederspannungsteilnetzes ist eine weitere Batterie vorgesehen, die mittels eines Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandler) betrieben wird.
US 6,747,438 offenbart eine Lade- und Entladeeinheit einer Batterie, die einen bidirektionalen DC/DC-Konverter oder einen unidirektionalen DC/DC-Ladekonverter, zusammen mit einem DC/DC-Entladekonverter, aufweisen kann. Die Lade- und Entladeeinheit steuert die Spannung und den Strom jeweils passend für die eingesetzten Batteriezellen und für eine Stromversorgungs-/Ladeeinheit. Die eingesetzten Batteriezellen umfassen erste und zweite Batteriezellen, die parallel geschaltet sind. Die Parallelschaltung der ersten und der zweiten Batteriezellen ist mit einer weiteren ähnlichen Parallelschaltung parallel geschaltet. Für die ersten Batteriezellen werden Hochleistungs-Lithium-Akkumulatoren verwendet, während für die zweiten Batteriezellen Bleizellen eingesetzt werden, die eine hohe Kapazität aufweisen.
US 2012/235473 zeigt Lithium-Ionen-Batteriezellen, die miteinander und zu Terminalen in Serie geschaltet sind, welche an einen Drehstromgenerator eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs angeschlossen sind, um Ladung auf den Batteriezellen aufrechtzuerhalten und um elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen. Die Terminale sind mit einem Triebwerksteil des Bordnetzes verbunden, um das Kraftfahrzeug beim Starten mit relativ kurzem und starkem Stromfluss zu versorgen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher und einem 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 abzugeben. Dabei ist vorgesehen, dass die Batterie zumindest zwei Batterieeinheiten mit Hochspannungsteilnetzschnittstellen zur Koppeleinheit aufweist, dass die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zuzuschalten und dass die Koppeleinheit eine Ladeeinheit mit einem Ladeanschluss aufweist, über welche die Batterie aufladbar ist.
Da das Bordnetz der vorliegenden Erfindung durch einen unidirektionalen Energiefluss vom Hochspannungsteilnetz in das Niederspannungsteilnetz gekennzeichnet ist, kann bei einer entladenen Batterie keine Aufladung des Hochspannungsteilnetzes über das Niederspannungsteilnetz erfolgen. Damit die Batterie geladen werden kann, weist die Koppeleinheit die Ladeeinheit auf. Diese kann die Batterie beispielsweise dann laden, wenn das Kraftfahrzeug so lange abgestellt wird, dass die Batterie zu stark entladen ist, um den Start des Kraftfahrzeugs zu veranlassen.
Vorteilhaft wird eine Gehäusegemeinschaft der Ladeeinheit mit der Koppeleinheit vorgeschlagen, da dann auch Entwärmungskonzepte der Koppeleinheit, die im Wesentlichen für den Fahrbetrieb benötigt werden, auch beim Aufladen im Stillstand des Kraftfahrzeugs mitgenutzt werden können. Selbstverständlich kann die Ladevorrichtung alternativ auch als von der Koppeleinheit separate Funktionseinheit realisiert werden.
Das Bordnetz hat die Eigenschaft, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische Verbraucher betrieben werden können, die auf eine erste, niedrige Spannung ausgelegt sind, und für Hochleistungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d. h. das Teilnetz mit einer 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.
Das Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, als auch in Kraftfahrzeugen, z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen. Insbesondere kann das Bordnetz bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp-Systeme aufweisen.
Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und ein zugehöriges Steuergerät, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die einen 48-V-Generator und einen 14-V-Starter aufweisen, wobei der 14-V-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das Bordnetz mit 12 V bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Niederspannungsbordnetz bezeichnet. Das Bordnetz mit der Nennspannung von 48 V wird auch als Hochspannungsbordnetz bezeichnet.
Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die ein System zur Unterstützung beim Beschleunigen (boost) und Rückgewinnung (recuperation) von Bremsenergie aufweisen (Boost-Rekuperations-System, BRS). Bei Boost-Rekuperations-Systemen wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das Boost-Rekuperations-System erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im Hochspannungsteilnetz kann dabei den Verbrennungsmotor unterstützen, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken für rein elektrisches Fahren eingesetzt werden, z. B. bei einem Ein- und Ausparken.
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 ein 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).
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gegenstands sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladeeinheit einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) aufweist, bevorzugt einen potentialtrennenden Gleichspannungswandler. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladeeinheit eingerichtet ist, ein CC/CV-Ladeverfahren (CC: constant current, CV: constant voltage) durchzuführen, wobei zunächst eine Ladung bei konstanter Stromstärke durchgeführt wird und bei Ladeschluss eine Ladung bei konstanter Spannung durchgeführt wird. Je nach eingestelltem Eingangsspannungsbereich wird der Gleichspannungswandler als ein Hochsetzsteller ausgeführt, wenn z. B. eine 14 V Ladeschnittstelle realisiert wird, oder als ein Hoch-Tiefsetzsteller, wenn z. B. das Kraftfahrzeug von einer anderen 48 V Batterie geladen werden soll, die einen höheren Spannungswert aufweist als die Batterie des eigenen Fahrzeugs. Gegenüber einem Konzept mit einer Koppeleinheit mit bidirektionalem Energiefluss kann der Gleichspannungswandler für geringere Leistungen ausgelegt werden.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladeeinheit eine Berührschutzvorrichtung und/oder eine Verpolungsschutzvorrichtung aufweist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladeeinheit einen Wechselspannungsgleichrichter aufweist. Der Wechselspannungsgleichrichter ist dem Gleichspannungswandler vorgeschaltet. Hierdurch kann eine sehr flexible Ladeeinheit realisiert werden, die sowohl für Gleichspannung, als auch für Wechselspannung in einem weiten Frequenzbereich und Spannungsbereich ausgelegt sein kann, und ohne hohe Zusatzkosten Sicherheitsanforderungen bezüglich Berührschutz und Verpolungsschutz erfüllen kann.
Von Vorteil ist, wenn die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten, insbesondere die Batteriemodule, jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind. Die Batterieeinheiten können also abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start-Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheiten führt.
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.
Bei der Zuschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter betätigt. Besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt.
Nach einer Ausführungsform sind die Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsnetzes seriell, d. h. miteinander in Serie geschaltet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes in Reihe zu schalten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter dazu, die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten in Serie miteinander zu schalten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung einer Leitung zwischen zwei Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen den Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes miteinander parallel zu schalten. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei stark abweichenden Ladezuständen der Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit erfolgt, welche einen höheren Ladezustand aufweist bzw. eine höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus jeder der Batterieeinheiten versorgt.
Bevorzugt sind die Batterieeinheiten mittels der vorwärtssperrfähigen Schalter bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel schaltbar.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Niederspannungsteilnetz eine Spannungspufferungseinrichtung oder einen Hochleistungsenergiespeicher aufweist, um bei den Umschaltvorgängen in der Koppeleinheit das Niederspannungsteilnetz so mit Strom zu versorgen, dass keine unzulässig hohen Spannungseinbrüche im Niederspannungsteilnetz auftreten. Zusätzlich oder alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen weiteren Energiespeicher aufweist, welcher für die Bereitstellung von elektrischer Energie mit hohen Leistungen optimiert ist. Besonders bevorzugt sind Kondensatorsysteme, z. B. Reihenschaltungen von Doppelschichtkondensatoren, insbesondere so genannten Superkondensatoren (supercapacitors). Die Batterie wird mithilfe dieses weiteren Energiespeichers von der Bereitstellung hoher Ströme insbesondere bei tiefen Temperaturen entlastet. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien wird damit ein entscheidender Vorteil bereitgestellt. Aufgrund des Aufwands, der mit dem Einsatz des zweiten Energiespeichers im Niederspannungsteilnetz verbunden ist (herstellungstechnisch und kostentechnisch), eignet sich das System auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit großen Verbrennungsmotoren, bei denen sehr große Kaltstartleistungen erforderlich sind. Bevorzugt wird ein weiterer Energiespeicher eingesetzt, der direkt für die Startanforderungen optimiert ausgelegt wird, um das Gesamtsystem auch bei einer hohen Anzahl von Kaltstartvorgängen bzw. einer sehr großen Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen eine lange Lebensdauer, beispielsweise im Bereich von 10 Jahren oder mehr zu gewährleisten.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Koppeleinheit vorwärtssperrfähige Schalter aufweist, mittels welcher die Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsnetzes in Serie schaltbar sind. Mittels der vorwärtssperrfähigen Schalter sind die Batterieeinheiten außerdem bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel schaltbar.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Generator im Hochspannungsteilnetz ein Starter-Generator ist. Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu kann im Niederspannungsteilnetz ein Starter angeordnet sein. Wenn der Starter im Niederspannungsteilnetz angeordnet ist, ist notwendig, dass das Niederspannungsteilnetz die Anforderungen für einen Startvorgang erfüllt, insbesondere auch für einen Kaltstartvorgang. Die Startströme können dabei auch zu einem Teil von Einheiten der Hochspannungsbatterie bereitgestellt werden, beispielsweise zu mehr als 50%, zu mehr als 80% oder zu 100%.
Bevorzugt weist das Bordnetz ein Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit zur Schaltung der Batterieeinheiten auf. Das Steuergerät kann beispielsweise ein der Batterie zugeordnetes Batteriemanagementsystem sein, das beispielsweise weitere funktionelle Einheiten umfasst, die eingerichtet sind, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie bzw. der Batterieeinheiten zu erfassen, zu verarbeiten und mithilfe dieser Größen Managementfunktionen zu realisieren, welche die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Batteriesystems steigern.
Das Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit kann ein Computerprogramm aufweisen, welches auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein kann, 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.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit Batteriesystem, insbesondere mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem, für Kraftfahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperations-System mit unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie. Je nach Architektur kann gegebenenfalls auch der Starter entfallen. Das System zeichnet sich daher durch ein verringertes Volumen und durch ein geringeres Gewicht gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperations-Systemen aus. Das Boost-Rekuperations-System kann außerdem bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperations-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein Niederspannungsbordnetz nach dem Stand der Technik,
2 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler,
3 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler,
4 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer ersten Ausführungsform,
5 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform,
6 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer dritten Ausführungsform,
7 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer vierten Ausführungsform,
8 eine Koppeleinheit gemäß einer ersten Ausführungsform,
9 eine Koppeleinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform,
10 eine Koppeleinheit in einer schematischen Darstellung,
11 eine Koppeleinheit in einer weiteren schematischen Darstellung,
12 eine Koppeleinheit in einer weiteren schematischen Darstellung und
13 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. In Fällen, in welchen dieselben Elemente in einer Figur mehrfach vorkommen, können deren Bezugszeichen zum Zweck des besseren Verständnisses durchnummeriert sein. Allerdings wird im Text der Übersicht halber wiederum gelegentlich auf die Durchnummerierung verzichtet. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Ausführungsformen der Erfindung
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 V erzeugt und über das Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 22, der eine Koppeleinheit 33 zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers sein.
Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-V-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 Kraftfahrzeugs 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 20 auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Hochspannungsverbraucher 25, als Lastwiderstände dargestellt, angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
Im Niederspannungsteilnetz 21, welches ausgangsseitig an dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet ist, befinden sich ein Starter 26 und ein Schalter 27, um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, die Niederspannung in Höhe von beispielsweise 12 V oder 14 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind Niederspannungsverbraucher 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 V aufweist. Im entladenen Zustand (state of charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 V auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 V und 15 V.
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 20 betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 V, 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, und der des Niederspannungsteilnetzes 21 entspricht.
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 1 ausgebildet, wobei der Starter 26 aus 2 mit dem Generator 23 aus 2 als Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den Teilnetzen 20, 21 ein DC/DC-Wandler 31 zum Einsatz kommt, der bidirektional ausgeführt ist. In den Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, Energiespeicher 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 26. 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 Batterie 24, insbesondere die Lithium-Ionen-Batterie, ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des Kraftfahrzeugs erfolgt dann über eine Niederspannungsschnittstelle (nicht dargestellt) und den DC/DC-Wandler 31.
4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21, beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48-V-Generator, einem 14-V-Starter und einem Boost-Rekuperations-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 Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Außerdem kann ein weiterer Starter (nicht gezeigt) für einen Erst-Start bei einem Start-Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs im Niederspannungsteilnetz 21 vorgesehen sein. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Hochspannungsverbraucher 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.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz 20 die Betriebsspannung von 48 V auszugeben. Die Lithium-Ionen-Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 V bevorzugt eine Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können.
Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf, wobei den Batterieeinheiten 41 jeweils 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 V.
Den Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n sind Einzelspannungsabgriffe 42 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Bei einer Serienschaltung der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n, wie in 4 dargestellt, sind die Einzelspannungsabgriffe 42 zwischen den Batterieeinheiten 41 angeordnet, sowie an den Enden der Batterie 40 jeweils ein Einzelspannungsabgriff. Bei einer Anzahl von n Batterieeinheiten ergeben sich hierdurch n + 1 Einzelspannungsabgriffe 42. Durch die zusätzlichen Einzelspannungsabgriffe 42 ist die Batterie 40 in mehrere Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n unterteilt, welche im Rahmen der Erfindung auch als Teilbatterien bezeichnet werden können. Die Einzelspannungsabgriffe 42 sind so gewählt, dass die Batterieeinheiten 41 jeweils eine Spannungslage aufweisen, mit der das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt werden kann.
Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgabe, zumindest eine der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 durchzuschalten. Die Koppeleinheit 33 koppelt somit das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V. Die Koppeleinheit 33 umfasst außerdem einen Ladeanschluss 37. Der Aufbau und die Funktionsweise der Koppeleinheit 33 sind mit Bezug zu 8 beschrieben.
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 den Verbrauchern 25, 29 bei abgestelltem Kraftfahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Kraftfahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie 40 während der Standzeit unter anderem auch die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.
Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein z. B. als Hochleistungsspeicher oder Pufferspeicher ausgelegter Energiespeicher 28 angeordnet, der kurzzeitig hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist. Der Energiespeicher 28 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n weiter vermieden werden. Wird als Energiespeicher 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 41-1, 41-2, ... 41-n für die Versorgung bereit steht, und ΔU_max die maximal zulässige Veränderung der Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs.
Das in 4 dargestellte Bordnetz 1 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 41-1, 41-2, ... 41-n 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 41-1, 41-2, ... 41-n selektiv dem Niederspannungsteilnetz 21 zuschalten kann.
5 zeigt ein Bordnetz 1 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Hochspannungsteilnetz 20, einem Niederspannungsteilnetz 21, der Koppeleinheit 33 mit dem Ladeanschluss 37, den Hochspannungsverbrauchern 25 und den Niederspannungsverbrauchern 29, die wie mit Bezug zu 4 beschrieben ausgestaltet sein können.
Im Wesentlichen unterscheidet sich das in 5 dargestellte System von dem mit Bezug zu 4 beschriebenen durch die Einbindung des Starters 26. Während bei dem in 4 dargestellten System der Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingesetzt wird, ist hier der Starter 26 im Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet.
Zur Versorgung des Starters 26 im Niederspannungsteilnetz 21, speziell etwa bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs, ist im Niederspannungsteilnetz 21 der weitere Energiespeicher 28 verfügbar. Der Energiespeicher 28 kann kurzzeitig sehr hohe Ströme liefern und entlastet in dieser Ausführungsform die Lithium-Ionen-Batterie in den Startphasen. Speziell die Auswirkungen der bekannten Schwäche von Lithium-Ionen-Batterien, dass sie keine hohen Ströme bei tiefen Temperaturen abgeben können, sind durch den Einsatz des Energiespeicher 28 in dem in 5 dargestellten System gemindert. Für den Fall, dass der Energiespeicher 28 als ein Doppelschichtkondensator ausgeführt ist, können die Startströme in hoher Gesamtanzahl über die gesamte Lebensdauer der Batterie 40 und auch bei einzelnen Startvorgängen ggf. auch mehrfach hintereinander, d. h. bei erfolglosem Startversuch, nach erfolgtem Wiederaufladen des Leistungsspeichers erfolgen. Auf diese Weise kann ein System realisiert werden, das sehr hohe Verfügbarkeit elektrischer Energie im Niederspannungsteilnetz 21 aufweist und kurzzeitig sehr hohe Leistung abgeben kann.
6 zeigt ein Bordnetz 1 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einem Hochspannungsteilnetz 20, einem Niederspannungsteilnetz 21, den Hochspannungsverbrauchern 25 und den Niederspannungsverbrauchern 29, die wie mit Bezug zu 4 beschrieben ausgestaltet sein können.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem den Starter-Generator 30 und den optionalen Energiespeicher 28, wie in der Ausführungsform mit Bezug zu 4 beschrieben.
Im Wesentlichen unterscheidet sich das in 6 dargestellte System von dem mit Bezug zu 4 beschriebenen durch die Ausführung der Batterie 40. Die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n der Batterie 40 sind erst über die Koppeleinheit 33 miteinander verbunden. Den Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n sind Leitungsabschnitte 80-11, 80-12, 80-21, 80-22, ... 80-n1, 80-n2 zugeordnet, die der Koppeleinheit 33 zugeführt sind. Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgaben, zumindest eine der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 zu dessen Betrieb oder Unterstützung durchzuschalten, und außerdem die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 geeignet miteinander zu verschalten.
Die Koppeleinheit 33 koppelt dabei das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem Niederspannungsteilnetz 21. Die Koppeleinheit 33 umfasst außerdem den Ladeanschluss 37. Der Aufbau und die Funktionsweise der Koppeleinheit 33 sind mit Bezug zu 9 beschrieben.
7 zeigt ein Bordnetz 1 nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit einem Hochspannungsteilnetz 20, einem Niederspannungsteilnetz 21, der Koppeleinheit 33 mit dem Ladeanschluss 37, den Hochspannungsverbrauchern 25 und den Niederspannungsverbrauchern 29, die wie mit Bezug zu 6 beschrieben ausgestaltet sein können.
Bei dieser Ausführungsform ist der Starter 26 wie bei der mit Bezug zu 5 beschriebenen Ausführungsform in das Bordnetz 1 eingebunden und die Batterie 40 und Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n wie bei der mit Bezug zu 6 beschriebenen Ausführungsform ausgestaltet. Der Aufbau und die Funktionsweise der Koppeleinheit 33 gemäß dieser Ausführungsform sind mit Bezug zu 9 beschrieben.
8 zeigt eine Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Übersicht halber ist der Ladeanschluss 37 hier nicht mit dargestellt. 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 8 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 13 beschrieben.
Die Koppeleinheit 33 weist Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 für die Einzelspannungsabgriffe 42 der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf. In der Koppeleinheit 33 sind die Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 an Verzweigungspunkten 43 verzweigt und 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 auf einen Pluspol 52 geschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf einen Minuspol 51 geschaltet. Die Koppeleinheit 33 weist hierzu Niederspannungsteilnetzschnittstellen 36 auf.
9 zeigt eine Koppeleinheit 33 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Übersicht halber ist der Ladeanschluss 37 wiederum nicht mit dargestellt. Die Koppeleinheit 33 umfasst die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45, die wie in der mit Bezug zu 8 beschriebenen Ausführungsform ausgestaltet sind. Die Koppeleinheit 33 weist die Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 für die Leitungsabschnitte 80-11, 80-12, ..., 80-n2 der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf. In der Koppeleinheit 33 sind die Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 mit jeweils einem der unterschiedlichen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45 und RSS_r 44 verbunden. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf den Pluspol 52 geschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf den Minuspol 51 geschaltet. Die Koppeleinheit 33 weist hierzu die Niederspannungsteilnetzschnittstellen 36 auf.
Die Koppeleinheit 33 umfasst außerdem vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1, welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 wird mit Bezug zu 13 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungen nach den Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern RSS 44, 45 jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 verbinden die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n seriell miteinander, wenn die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n ein vorwärtssperrfähiger Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 angeordnet, sodass sich bei n Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n n – 1 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1, 90-2, ... 90-n1 vorgesehen sind. Mit dem Bezugszeichen 73 ist der Strompfad durch die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n zur Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 dargestellt. In 9 sind sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 geschlossen. Zur Übersicht sind in den Zeichnungen stromführende Leitungen mit dickeren Linien dargestellt als nicht-stromführende Leitungen.
Durch die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 ist es möglich, zwei oder mehr Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel zu schalten. In diesem Fall werden die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 in den Zustand „Aus” gesteuert. Bei einem unterschiedlichen Spannungsniveau der parallel geschalteten Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n erfolgt der Energiefluss in das Niederspannungsteilnetz 21 nur aus derjenigen Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n, die das höhere Spannungsniveau aufweist. Der Energiefluss von einer Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n mit einer höheren Spannungslage in eine Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n mit einer niedrigeren Spannungslage wird durch die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 unterbunden, die der Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n mit der geringeren Spannungslage zugeordnet sind.
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 21 aufweist.
10 bis 12 zeigen die Koppeleinheit 33 in schematischen Darstellungen, wobei beispielhaft die mit Bezug zu 9 beschriebene Ausführungsform dargestellt ist. Die folgenden Aussagen gelten für die mit Bezug zu 8 beschriebene Ausführungsform entsprechend.
In 10 ist gezeigt, dass der Energiefluss vom Hochspannungsteilnetz 20 zum Niederspannungsteilnetz 21 unidirektional erfolgt. Über den Ladeanschluss 37 der Koppeleinheit 33 erfolgt die Anbindung der Batterie 40 an eine Ladevorrichtung 38, mit entsprechendem Energiefluss von der Ladevorrichtung 38 zur Batterie 40.
11 zeigt eine Ladeeinheit 48 gemäß einer ersten Ausführungsform, welche den in 10 dargestellten Energiefluss von der Ladevorrichtung 38 zur Batterie 40 ermöglicht. Die Ladeeinheit 48 ist als ein potentialtrennender Gleichspannungswandler 46 ausgeführt, beispielsweise als ein Hochsetzsteller oder als ein Hoch-Tiefsetzsteller. Die Ladeeinheit 48 ist über Hochspannungsteilnetzladeschnittstellen 39 an diejenigen Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 angeschlossen, welche ermöglichen, alle Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n aufzuladen.
12 zeigt eine Ladeeinheit 48 gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche den in 10 dargestellten Energiefluss von der Ladevorrichtung 38 zur Batterie 40 ermöglicht. Die Ladeeinheit 48 ist als ein potentialtrennender Gleichspannungswandler 46 mit einem vorgeschalteten Wechselspannungsgleichrichter 47 (DC/AC-Wandler) ausgeführt, um eine Ladung der Batterie 40 zu ermöglichen, wenn die Ladevorrichtung 38 eine Wechselspannungsquelle ist. Der Wechselspannungsgleichrichter 47 weist bevorzugt eine elektronische Schaltung auf, welche bei Detektion einer Gleichspannungsquelle direkt auf den Gleichspannungswandler 46 durchschaltet.
13 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern RSS 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern VSS 90. Die Durchlassrichtung der rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 und des vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90 ist dabei mit l angegeben.
Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET 101 oder Bipolartransistor und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In 13 ist ein MOSFET 101 mit seiner intrinsischen Diode 102 dargestellt. 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 l 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.
Der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 umfasst einen MOSFET 101, wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist, alternativ einen IGBT oder Bipolartransistor. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45, RSS_r 44 und der vorwärtssperrfähige Schalter 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 rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45, RSS_r 44 und des vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90 sehr genau eingestellt werden.
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.
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

US 2010/131217 [0004]
US 6747438 [0005]
US 2012/235473 [0006]

Claims

Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher (25) und einem Generator (23) 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) abzugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) mit Hochspannungsteilnetzschnittstellen (35) zur Koppeleinheit (33) aufweist, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuzuschalten und wobei die Koppeleinheit (33) eine Ladeeinheit (48) mit einem Ladeanschluss (37) aufweist, über welche die Batterie (40) aufladbar ist.
Bordnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinheit (48) einen Gleichspannungswandler (46) aufweist.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinheit (48) eingerichtet ist, ein CC/CV-Ladeverfahren durchzuführen.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinheit (48) eine Berührschutzvorrichtung und/oder eine Verpolungsschutzvorrichtung aufweist.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinheit (48) einen Wechselspannungsgleichrichter (47) aufweist.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) bezüglich des Hochspannungsnetzes (21) in Serie geschaltet sind oder dass die Koppeleinheit (33) vorwärtssperrfähige Schalter (90, 90-1, 90-2, ..., 90-n1), aufweist, mittels welcher die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) bezüglich des Hochspannungsnetzes (21) in Serie schaltbar sind.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) rückwärtssperrfähige Schalter (44, 45) aufweist, mittels welcher die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuschaltbar sind.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) vorwärtssperrfähige Schalter (90, 90-1, 90-2, ..., 90-n1), aufweist, mittels welcher die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) bezüglich des Niederspannungsteilnetzes (21) parallel schaltbar sind.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (23) im Hochspannungsteilnetz (20) ein Starter-Generator (30) ist oder dass im Niederspannungsteilnetz (21) ein Starter (26) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Bordnetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.