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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.
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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 über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V.
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Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer Nennspannung von 48 V zu verwenden.
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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-Konverters) betrieben wird.
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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.
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US 2012/235473 zeigt Lithium-Ionen-Batteriezellen, die miteinander und zu Terminalen in Serie geschaltet sind, welche an einen Drehstromgenerator eines Bordnetzes eines Fahrzeugs angeschlossen sind, um Ladung auf den Batteriezellen aufrechtzuerhalten und um elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen. Die Terminale sind mit einem Triebwerksteil des Bordnetzes verbunden, um das Fahrzeug beim Starten mit relativ kurzem und starkem Stromfluss zu versorgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher und einem Starter 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, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Leitungsabschnitten aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zuzuschalten.
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Die Erfindung besitzt den Vorteil, 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 Teilbordnetz 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.
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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.
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Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und ein zugehöriges Steuergerät, beispielsweise ein 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. 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.
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Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die ein System zur Unterstützung beim Beschleunigen (boost) und Rückgewinnung (recuperation) von Bremsenergie aufweisen (Boost-Rekuperationssystem, BRS). Bei Boost-Rekuperationssystemen wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das Boost-Rekuperationssystem 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.
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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).
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gegenstands sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.
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So ist von Vorteil, wenn die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten 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 Batterieeinheit führt.
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Da der Starter im Niederspannungsteilnetz angeordnet ist, erfüllt das Niederspannungsteilnetz die Anforderungen für einen Startvorgang, insbesondere auch für einen Kaltstartvorgang. Die Startströme können dabei zu einem erheblichen Teil von der Batterie bereitgestellt werden, beispielsweise zu mehr als 50 %, zu mehr als 80 % oder zu 100 %.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung der 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.
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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 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.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell, d.h. miteinander in Reihe zu schalten.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen zweiten 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 zweiten 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 bevorzugt für den Einsatz in Fahrzeugen mit großen Verbrennungsmotoren, bei denen sehr große Kaltstartleistungen erforderlich sind. Bevorzugt wird ein zweiter Energiespeicher eingesetzt, der direkt für die Startanforderungen optimiert ausgelegt wird, um das Gesamtsystem auch bei einer hohen Anzahl von Kaltstart bzw. einer sehr großen Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen eine lange Lebensdauer, beispielsweise im Bereich von 10 Jahren oder mehr zu gewährleisten.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem für Fahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, 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. Das System zeichnet sich daher durch ein verringertes Volumen und durch ein geringeres Gewicht gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperationssystemen aus. Das Boost-Rekuperationssystem kann außerdem bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperationssystemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein Niederspannungsbordnetz nach dem Stand der Technik,
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2 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler,
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3 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler,
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4 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer ersten Ausführungsform,
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5 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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6 eine Koppeleinheit in einem beispielhaften Betriebszustand,
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7 die Koppeleinheit aus 6 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand,
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8 die Koppeleinheit aus 6 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand und
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9 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter.
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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. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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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.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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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 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 Verbraucher 25, insbesondere Lastwiderstände angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
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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 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. Im entladenen Zustand (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.
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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 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, und der des Niederspannungsteilnetzes 21 entspricht.
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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 Starter 26 aus 2 mit dem Generator 23 aus 2 als Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 ein DC/DC-Wandler 31 zum Einsatz kommt, der potentialtrennend ausgeführt ist. In den Hoch- und Niederspannungsteilnetzen 20, 21 sind außerdem die Batterie 24, der Energiespeicher 28 und weitere Verbraucher 25, 29, insbesondere Lastwiderstände angeordnet, wie mit Bezug zu 2 beschrieben.
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Im Wesentlichen unterscheidet sich das in 3 dargestellte System durch die Einbindung des Starter-Generators 3. 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 Fahrzeugs erfolgt dann über eine Niederspannungsschnittstelle (nicht dargestellt) und den DC/DC-Wandler 31.
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4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 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 Energie-Rekuperationssystem (Boost Recuperation System).
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Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 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 Verbraucher 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von Lastwiderständen des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
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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.
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Die Lithium-Ionen-Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf, wobei den Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit der Lithium-Ionen-Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt.
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Den Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n sind Leitungsabschnitte 80-11, 80-12, 80-21, 80-22, ... 80-n1, 80-n2 zugeordnet, über welche insbesondere die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgaben, zumindest eine der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n der Lithium-Ionen-Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 zu dessen Betrieb oder Unterstützung durchzuschalten, und die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 geeignet zu verschalten.
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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 6 bis 8 beschrieben.
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Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die weiteren Verbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V oder 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lithium-Ionen-Batterie 40, die Versorgung von Ruhestromverbrauchern, welche als weitere Verbraucher 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 Lithium-Ionen-Batterie 40 während der Standzeit die Ruheströme der weiteren Verbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.
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Im Niederspannungsteilnetz 21 ist außerdem ein Starter 26 angeordnet, der eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zu starten, wenn der Schalter 27 geschlossen wird.
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Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Hochleistungsspeicher 34 oder Pufferspeicher angeordnet, der kurzzeitig sehr hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist. Der Hochleistungsspeicher 34 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n weiter vermieden werden. Als Hochleistungsspeicher 34 kann ein Kondensator eingesetzt werden.
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5 zeigt das Bordnetz 1 mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Bordnetz 1 eignet sich für den Einsatz bei Fahrzeugen mit einem 48-Volt-Generator, einem 14-Volt-Starter und einem Boost-Rekuperationssystem, insbesondere für Fahrzeuge mit großen Verbrennungsmotoren, bei welchen eine erhebliche Startleistung bei Kaltstarts erforderlich ist.
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Das in 5 dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in 4 dargestellte Bordnetz 1 ausgebildet, mit dem Unterschied, dass anstelle des optionalen Hochleistungsspeichers 34 ein zweiter Energiespeicher 280 eingesetzt wird, welcher in der dargestellten Ausführungsform eine Verschaltung mehrerer Kondensatoren 281 umfasst. Die Kondensatoren 281 sind beispielsweise Doppelschichtkondensatoren, insbesondere Superkondensatoren. Der zweite Energiespeicher 280 im Niederspannungsteilnetz 21 ist für die Bereitstellung elektrischer Energie mit hohen Leistungen optimiert. Das Hochspannungsteilnetz 20 gemäß 5 entspricht demjenigen gemäß 4.
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6 zeigt eine Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter RSS 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 6 zwei verschiedene Schaltertypen eingezeichnet, nämlich RSS_l 45 und RSS_r 44, die sich in ihrer Fertigung nicht unterscheiden müssen, sondern lediglich mit unterschiedlicher Polarität verbaut sind. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 wird mit Bezug zu 9 beschrieben.
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In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte 80-11, 80-12, ..., 80-n2 der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n der Lithium-Ionen-Batterie 40 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.
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Die Koppeleinheit 33 umfasst 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 9 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n 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, falls 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 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1, 90-2, ... 90-n-1 vorgesehen sind.
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Mit dem Bezugszeichen 73 ist der Strompfad durch die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n zur Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 dargestellt. Sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 sind dabei geschlossen. Zur Übersicht sind in den Zeichnungen die stromführenden Stromleitungen außerdem mit dickeren Linien dargestellt als nicht-stromführende Leitungen.
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Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n 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 21 auftreten.
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7 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus der Batterieeinheit 41-2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-i, RSS_r 44-i. Vom Pluspol 52 führt dabei ein Strompfad 71 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41-2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51.
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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 rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 unterbunden, die der Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n mit der geringeren Spannung zugeordnet sind. Während der Parallelschaltung von Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n sind die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 ausgeschaltet und der Generator 23 speist idealerweise keine Energie in das Hochspannungsteilnetz 20 ein.
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Nach einer Ausführungsform ist das Bordnetz 1 bzw. das Steuersystem so eingerichtet, dass die Lithium-Ionen-Batterie 40 den Generator 23 nur bei eingeschalteten vorwärtssperrfähigen Schaltern VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 mit Energie zu versorgen vermag. Für das Laden der Lithium-Ionen-Batterie 40 müssen die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 nicht zwingend eingeschaltet sein, da die intrinsischen Dioden der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 den Ladestrom führen können. Bevorzugt werden die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 immer dann eingeschaltet, wenn kein Parallelbetrieb für die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 stattfindet, um die Verlustleistung innerhalb der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 zu reduzieren.
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Der Betrieb des Generators 23 im Hochspannungsteilnetz 20 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. In der durchgeschalteten Batterieeinheit 41-2, die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Generator 23 in die gesamte Lithium-Ionen-Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Lithium-Ionen-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 41-1, 41-2, ... 41-n über die zugehörigen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 der Koppeleinheit 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 21 aufweist.
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8 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. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41-2 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51. Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_l 45-j über die erste durchgeschaltete Batterieeinheit 41-1 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-j zum Minuspol 51. Wenn der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41-1 und die zweite Batterieeinheit 41-2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel geschaltet.
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9 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 I angegeben.
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Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET oder Bipolar-Transistor 101 und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In 9 ist ein MOSFET 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.
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Der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 umfasst einen MOSFET, IGBT oder Bipolar-Transistor 101, wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist. 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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/131217 [0004]
- US 6747438 [0005]
- US 2012/235473 [0006]
