DE102014201362A1 - Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) und einem Starter (26) und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher (25) und einem elektrischen 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 Leitungsabschnitten (80-11, 80-12, ..., 80-n2) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind. Dabei ist die Koppeleinheit (33) eingerichtet, die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuzuschalten. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem derartigen Bordnetz (1).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes 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 Volt betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer Starterbatterie einem Starter eine Spannung 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 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 7,193,392 zeigt ein Batteriepack, das von einem HEV-Motor Ladung erhalten kann, wenn es durch den HEV-Motor oder durch die kinetische und potentielle Energie des Kraftfahrzeugs während Bremsvorgängen als Generator angetrieben wird. Um eine einzelne Batteriezelle elektronisch an einen Ausgleichskonverter zu koppeln, stellt eine Kontrolleinheit Energie an ein Paar bidirektionaler Schalter bereit. Das Paar Schalter wird dazu eingesetzt, einzelne Batteriezellen selektiv zu laden und zu entladen.
  • US 6,909,201 zeigt eine umschaltbare Spannungsversorgungsarchitektur für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei nur eine Batteriekonfiguration eingesetzt wird, um Bauraum, Kosten und die Komplexität zu reduzieren. Ein bidirektionaler DC/DC-Konverter fungiert als Abwärtswandler, wenn ein Niederstromnetz mit Strom versorgt wird und kann in einem anderen Betriebsmodus auch als Aufwärtswandler fungieren, wenn ein Hochspannungsnetz mit Strom versorgt wird.
  • US 8,129,952 offenbart ein Batteriesystem mit einer Umwandlungsschaltung und einer Vielzahl an Hauptterminalen, die so konfiguriert sind, dass sie mit einer Ladeeinheit, einem Ladegerät und einer Vielzahl wieder aufladbarer, miteinander in Serie geschalteter, wieder aufladbarer Batteriemodule verbunden sind, die sich zwischen den Hauptterminalen befinden. Das Batteriesystem weist einen Umschaltkreis auf, der so gestaltet ist, dass ein erstes der Batteriemodule an einen Eingang des Umschaltkreises gekoppelt ist. Die Module sind außerdem mit einem Ausgleichsschaltkreis verbunden, wobei der Ausgleichsschaltkreis so konfiguriert ist, dass dieser von einem ersten der wiederaufladbaren Batteriemodule mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes 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 elektrischen 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. Dabei ist vorgesehen, dass ein Umschaltvorgang, bei welchem eine dem Niederspannungsteilnetz zugeschaltete Batterieeinheit gewechselt wird, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes und/oder bezüglich des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei erfolgt.
  • Mit anderen Worten erfolgt eine Umschaltung von einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz wegzuschaltenden Batterieeinheit zu einer zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zuzuschaltenden Batterieeinheit ohne Unterbrechung der Versorgung des Hochspannungsteilnetzes und/oder ohne Unterbrechung der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes.
  • Die Erfindung hat 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 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 elektrischen 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.
  • 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-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.
  • 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).
  • Von Vorteil ist, 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.
  • 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%.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell, d. h. miteinander in Reihe zu schalten.
  • 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. auf Basis 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 Kraftfahrzeugen 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.
  • 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.
  • Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgt ein Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz zuzuschaltende Batterieeinheit bevorzugt unter Ausführung folgender Schritte:
    • a) Trennen einer Leitung zwischen der 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 und
    • d) Verbinden der Leitung zwischen dem ersten, vom Niederspannungsteilnetz abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit.
  • Die Schritte b) und c) werden dabei bevorzugt mit einer Verzögerung durchgeführt, d. h. nicht gleichzeitig.
  • Vorteilhaft wird somit bei sämtlichen Umschaltvorgängen das Niederspannungsteilnetz aus mindestens einer Batterieeinheit versorgt. Hierdurch können Spannungseinbrüche im Niederspannungsteilnetz auch ohne zusätzliche Puffereinrichtungen vermieden werden. Die Batterie steht während der Umschaltvorgänge dem Hochspannungsteilnetz weiterhin als Energiespeicher zur Verfügung. Dabei kann die Spannung kurzfristig unter dem Nennwert liegen, es ist jedoch ein Energiefluss in beide Richtungen, d. h. Laden und Entladen der Batterie, möglich.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz im Schritt c) bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit bei verbundener Leitung zwischen ihnen bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet. Weiterhin bevorzugt sind die erste, abgeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zugeschaltete Batterieeinheit bei verbundener Leitung zwischen ihnen bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet.
  • Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes bei Ausführung der Schritte a), b), c) und d) ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, im Schritt a) sämtliche Leitungen zwischen den Batterieeinheiten zu trennen und im Schritt d) sämtliche Leitungen zwischen den Batterieeinheiten zu verbinden. Der Wechsel kann dabei zwischen zwei beliebigen Batterieeinheiten erfolgen.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform, bei welcher der Wechsel zwischen benachbarten Batterieeinheiten erfolgt, ist vorgesehen, dass zeitgleich mit der Trennung der Leitung zwischen den benachbarten Batterieeinheiten im Schritt a) ein rückwärtssperrfähiger Schalter zur Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt b) betätigt wird, so dass der Pluspol der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit elektrisch hochohmig geschaltet ist. Mit einer Verzögerung wird zur Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt b) ein weiterer rückwärtssperrfähiger Schalter betätigt, so dass die benachbarten Batterieeinheiten parallel geschaltet sind. Die Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz im Schritt c) erfolgt hiernach bevorzugt nach einer weiteren Verzögerung. Ein Wechsel zwischen nicht benachbarten Batterieeinheiten erfordert mehrere Zwischenumschaltvorgänge, wobei die Zwischenumschaltvorgänge zwischen benachbarten Batterieeinheiten erfolgen.
  • Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Hochspannungsteilnetzes erfolgt ein Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz zuzuschaltende Batterieeinheit bevorzugt unter Ausführung folgender Schritte nacheinander:
    • e) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz,
    • f) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem Niederspannungsteilnetz.
  • Die Schritte e) und f) werden dabei mit einer Verzögerung durchgeführt, d. h. nicht gleichzeitig.
  • Bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit im Schritt e) werden bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt f) werden bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt.
  • Bei der Ausführungsform mit unterbrechungsfreier Versorgung des Hochspannungsteilnetzes ist bevorzugt 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. Wird ein Hochleistungsenergiespeicher eingesetzt, so kann dieser die Spannung im Niederspannungsteilnetz bei kurz andauernden Umschaltvorgängen der Koppeleinheit ohne Probleme Puffern. Wird als Spannungspufferungseinrichtung ein Kondensator eingesetzt, so wird dieser bevorzugt wie folgt dimensioniert:
    Figure DE102014201362A1_0002
    • imax
    der maximale Bordnetzstrom ist, der während Umschaltvorgängen im Niederspannungsteilnetz fließen soll,
    tumschalt
    die Zeitdauer ist, während der keine Batterieeinheit für die Versorgung bereitsteht und
    ΔUmax
    die maximal zulässige Veränderung der Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs ist. Der Kondensator eignet sich somit als elektrischen Ladungsspeicher, welcher eingerichtet ist, zumindest kurzfristig die Niederspannung zu erzeugen und an das Niederspannungsteilnetz abzugeben.
  • Nach einer Ausführungsform mit unterbrechungsfreier Versorgung des Hochspannungsteilnetzes wird weiterhin bevorzugt eine Stromstärke des Niederspannungsteilnetzes ermittelt und der Umschaltvorgang ausgeführt, falls die Stromstärke unterhalb eines definierten Schwellenwertes liegt. Das Signal für den Niederspannungsteilnetzstrom wird also ausgewertet und die Ansteuerung der Schalter der Koppeleinheit erfolgt derart, dass der Wechsel nur stattfinden kann, wenn die Stromstärke des Niederspannungsteilnetzes unterhalb des definierten Schwellenwertes liegt. Wenn der Wechsel zu solchen Zeitpunkten erfolgt, bei denen der Bordnetzstrom möglichst gering ist, kann der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz weiter verringert werden.
  • Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor dem Umschaltvorgang Niederspannungsverbraucher abgeschaltet werden. Der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz kann weiter vorteilhaft verringert werden, indem eine Synchronisierung mit einem Verbrauchermanagementsystem erfolgt, um Niederspannungsverbraucher, wie z. B. Heizsysteme, kurzzeitig ohne Komforteinbußen abzuschalten, um den Umschaltvorgang der Batterieeinheiten ohne nennenswerten Spannungseinbruch zu ermöglichen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines kostengünstigen Bordnetzes mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem für Kraftfahrzeuge 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.
  • 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 eine Koppeleinheit in einem beispielhaften Betriebszustand,
  • 7 die Koppeleinheit aus 6 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand,
  • 8 die Koppeleinheit aus 6 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand und
  • 9 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. 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 Volt 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 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-Volt-Bordnetz mit einem elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der elektrische 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 auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Hochspannungsverbraucher 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.
  • 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 Hochleistungsspeicher 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 Hochleistungsspeicher 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 Hochleistungsspeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 Volt auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Hochleistungsspeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 Volt und 15 Volt.
  • Der DC/DC-Wandler 22 ist eingangsseitig mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und mit dem elektrischen 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.
  • 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 elektrischen 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 potentialtrennend ausgeführt ist. In beiden Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Energiespeicher 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 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, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21. Das Bordnetz 1 ist für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug, Transportfahrzeug oder Gabelstapler geeignet. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem elektrischen 48-Volt-Generator, einem 14-Volt-Starter und einem Boost-Rekuperationssystem.
  • Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der elektrische Generator 23 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere 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, die Betriebsspannung von 48 Volt dem Hochspannungsteilnetz 20 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.
  • Die 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 Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt.
  • 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 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.
  • 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.
  • Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V oder 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batterie 40, beispielsweise die Lithium-Ionen-Batterie, die Versorgung von Ruhestromverbrauchern, welche als Verbraucher 25, 29 dargestellt sind, 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 die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.
  • Im Niederspannungsteilnetz 21 ist außerdem ein Starter 26 angeordnet, der eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zu starten, wenn der Schalter 27 geschlossen wird.
  • 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 41-1, 41-2, ... 41-n weiter vermieden werden. Als Hochleistungsspeicher 28 kann ein Kondensator eingesetzt werden.
  • 5 zeigt das Bordnetz 1 mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Bordnetz 1 eignet sich für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48-Volt-Generator, einem 14-Volt-Starter und einem Boost-Rekuperationssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit großen Verbrennungsmotoren, bei welchen eine erhebliche Startleistung bei Kaltstarts erforderlich ist.
  • 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 28 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.
  • 6 zeigt die 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.
  • In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte 80-11, 80-12, ..., 80-n2 der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n 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 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 80-12, ..., 80-n1 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-nn-1 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1, 90-2, ... 90-n-1 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 6 sind sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 geschlossen. Zur Übersicht sind in den Zeichnungen stromführende Leitungen außerdem mit dickeren Linien dargestellt als nicht-stromführende Leitungen.
  • 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.
  • 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. Mit dem Bezugszeichen 71 ist der Strompfad vom Pluspol 52 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 dargestellt.
  • 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. 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 elektrische Generator 23 speist idealerweise keine Energie in das Hochspannungsteilnetz 20 ein.
  • Nach einer Ausführungsform ist das Bordnetz 1 bzw. das Steuergerät so eingerichtet, dass die Batterie 40 den elektrischen Generator 23 nur bei eingeschalteten vorwärtssperrfähigen Schaltern VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 mit Energie zu versorgen vermag. Für das Laden der 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.
  • Der Betrieb des elektrischen Generators 23 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. In der hier durchgeschalteten Batterieeinheit 41-2, die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom elektrischen Generator 23 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (beim Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (beim 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.
  • Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 wird bei einem Umschaltvorgang ein sogenanntes „break before make”-Prinzip angewendet. Hierbei werden die rückwärtssperrfähigen Schalter 45-i, 44-i der stromführenden Batterieeinheit 41-2 abgeschaltet. Nachdem die rückwärtssperrfähigen Schalter 45-i, 44-i der bisher stromführenden Batterieeinheit 41-2 keinen Strom mehr führen, werden rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45 derjenigen Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n eingeschaltet, welche die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 übernehmen soll. Hierdurch wird vermieden, dass im Niederspannungsteilnetz 21 unzulässig hohe Spannungen auftreten. Das bedeutet auch, dass kurzzeitig keine Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n für die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 zur Verfügung steht.
  • Die Umschaltdauer wird so kurz wie möglich gehalten. Dies wird dadurch erreicht, dass schnell Schalten der Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs eingesetzt werden, welche mit Bezug zu 9 beschrieben werden. Die Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 wird über eine geeignete Ansteuerschaltung sehr genau eingestellt.
  • Würden die Schaltbefehle für die rückwärtssperrfähigen Schalter 44-i, 45-i dagegen synchron kommen, dann würde sich folgender Zustand einstellen: auf Grund der Funktionsweise der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 würde der Pluspol des Niederspannungsteilnetzes 21 während der Schaltphase mit dem höheren Potential der beiden Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n verbunden, in dem Beispiel in 7 also mit dem Pluspol der Batterieeinheit 41-1. Damit würde kurzzeitig eine wesentlich größere Spannung an das Niederspannungsteilnetz 21 angelegt, als die Spezifikation des Niederspannungsteilnetzes 21 erlaubt.
  • 8 zeigt die Koppeleinheit 33 aus 6 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt 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 mit Bezugszeichen 71 dargestellter erster Strompfad 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 mit Bezugszeichen 72 dargestellter weiterer Strompfad 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. Da 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.
  • Der in 8 dargestellte Zustand stellt sich nach Schritt b) des beschriebenen Verfahren ein. Die weiteren vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-2, ..., 90-n1 sind bei der dargestellten Ausführungsform eingeschaltet, können in alternativen Ausführungsformen des Verfahrens nach Schritt b) aber auch ausgeschaltet sein.
  • Um in den in 8 dargestellten Zustand zu gelangen, wird ausgehend von dem Zustand in 7 zeitgleich mit einem Schaltvorgang des ersten vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90-1 der erste rückwärtssperrfähige Schalter RSS_l 45-j eingeschaltet. In diesem Zustand hat die Batterie 40 noch eine Gesamtspannung von 36 V, die dem 48 V-Hochspannungsteilnetz 20 zur Verfügung steht und einen bidirektionalen Energiefluss im Hochspannungsteilnetz 20 ermöglicht. Die aus n Batterieeinheiten bestehenden Batterie 40 ist in diesem Zustand als eine Serienschaltung von n-1 Batterieeinheiten 41-2, ... 41-n konfiguriert, bei welcher der Minuspol der ersten Batterieeinheit 41-1 mit dem Minuspol der n-1 Batterieeinheiten 41-2, ... 41-n-1 elektrisch verbunden ist. Der Pluspol der ersten Batterieeinheit 41-1 ist in dieser Übergangsphase elektrisch hochohmig geschaltet. Mit kurzer Verzögerungszeit wird der zweite rückwärtssperrfähige Schalter RSS_r 44-j der ersten Batterieeinheit 41-1 eingeschaltet. Somit sind die erste und die zweite Batterieeinheit 41-1, 41-2 über die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 45-j, 45-i, 44-j, 44-i auf Grund der Eigenschaft der Rückwärtssperrfähigkeit sowie der Beschränkung des Stromflusses auf eine Richtung parallel geschaltet. Das Niederspannungsteilnetz 21 wird während dieser Parallelschaltung der Batterieeinheiten 41-1, 41-2 bei stark abweichenden Ladezuständen aus jener Batterieeinheit 41-1, 41-2 versorgt, welche den höheren Ladezustand oder die höhere Spannung aufweist. Bei ungefähr gleichen Ladezuständen oder Spannungen der Batterieeinheiten 41-1, 41-2 und hoher Bordnetzlast im Niederspannungsteilnetz 21 erfolgt die Versorgung aus beiden Batterieeinheiten 41-1, 41-2.
  • Direkt nach der dargestellten Parallelschaltung kann die zweite Batterieeinheit 41-2 über die ihr zugeordneten rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 45-i, 44-i abgeschaltet werden und die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt aus der ersten Batterieeinheit 41-1. Damit ist die Kommutierung von der zweiten Batterieeinheit 41-2 auf die erste Batterieeinheit 41-1 abgeschlossen, ohne das die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 unterbrochen wurde. Der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 kann wieder eingeschaltet werden und das Hochspannungsteilnetz 20 steht mit voller Nennspannung wieder bereit. Das beschriebene Umschaltkonzept funktioniert für die Umschaltung zwischen zwei direkt benachbarten Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n. Falls auf Grund der Betriebsstrategie ein Wechsel auf eine nicht direkte benachbarte Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n gewünscht ist, werden mehrere Umschaltvorgänge kurz hintereinander durchgeführt.
  • Um in den in 8 dargestellten Zustand zu gelangen, werden ausgehend von dem Zustand in 7 alternativ sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 ausgeschaltet. In dieser Phase speist der elektrische Generator 23 keine Energie in das Hochspannungsteilnetz 20 ein und arbeitet auch nicht im Boost-Betrieb. Mit kurzer Verzögerungszeit werden die zur ersten Batterieeinheit 41-1 gehörigen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 45-j, 44-j eingeschaltet. Daraufhin sind die erste und die zweite Batterieeinheit 41-1, 41-2 über die rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45, wie dargestellt, parallel geschaltet. Zwar ist mit Bezug zu 8 die Umschaltung der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 zwischen zwei benachbarten Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n beschrieben worden, jedoch kann die Umschaltung mit dem beschriebenen Verfahren ohne Beschränkung von einer beliebigen Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n auf eine beliebige andere Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n durchgeführt werden.
  • 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.
  • Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET 101 oder Bipolartransistor und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In 9 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.
  • Der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 umfasst einen MOSFET 101, IGBT oder Bipolartransistor, 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.
  • 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
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7193392 [0004]
    • US 6909201 [0005]
    • US 8129952 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) und einem Starter (26) und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher (25) und einem elektrischen 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 Leitungsabschnitten (80-11, 80-12, ..., 80-n2) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschaltvorgang, bei welchem eine dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschaltete Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) gewechselt wird, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes (20) und/oder bezüglich des Niederspannungsteilnetzes (21) unterbrechungsfrei erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz (21) zuzuschaltende Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) bei unterbrechungsfreier Versorgung des Niederspannungsteilnetzes (21) folgende Schritte ausgeführt werden: a) Trennen einer Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n), b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) zu dem Niederspannungsteilnetz (21), c) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) von dem Niederspannungsteilnetz (21) und d) Verbinden der Leitung zwischen dem ersten, vom Niederspannungsteilnetz (21) abgeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) rückwärtssperrfähige Schalter (44, 45) aufweist und bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) zum Niederspannungsteilnetz (21) im Schritt b) und/oder bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) von dem Niederspannungsteilnetz (21) im Schritt c) zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter (44, 45) betätigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) vorwärtssperrfähige Schalter (90, 90-1, 90-2, ..., 90-n1) aufweist und bei der Trennung der Leitung zwischen den zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) im Schritt a) und/oder bei der Verbindung der Leitung zwischen den zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) im Schritt d) zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter (90, 90-1, 90-2, ..., 90-n1) betätigt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zugeschaltete Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) nach der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) zu dem Niederspannungsteilnetz (21) im Schritt b) und vor Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) von dem Niederspannungsteilnetz (21) im Schritt c) bezüglich des Niederspannungsteilnetzes (21) parallel geschaltet sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zugeschaltete Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) bei verbundener Leitung zwischen ihnen bezüglich des Hochspannungsteilnetzes (20) seriell geschaltet sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz (21) zuzuschaltende Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) bei unterbrechungsfreier Versorgung des Hochspannungsteilnetzes (20) nacheinander folgende Schritte ausgeführt werden: e) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) von dem Niederspannungsteilnetz (21), f) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) zu dem Niederspannungsteilnetz (21).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) rückwärtssperrfähige Schalter (44, 45) aufweist und bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) von dem Niederspannungsteilnetz (21) im Schritt e) und/oder bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) zum Niederspannungsteilnetz (21) im Schritt f) zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter (44, 45) betätigt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke des Niederspannungsteilnetzes (21) ermittelt wird und der Umschaltvorgang ausgeführt wird, falls die Stromstärke unterhalb eines definierten Schwellenwertes liegt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umschaltvorgang Niederspannungsverbraucher (29) abgeschaltet werden.
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US15/114,308 US10029632B2 (en) 2014-01-27 2015-01-20 Method for operating an on-board electrical system
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3473487A1 (de) * 2017-10-18 2019-04-24 Hyundai Motor Company Batteriesystem für fahrzeug
EP3540902A1 (de) * 2018-03-13 2019-09-18 Yazaki Corporation Stromversorgungssystem mit hochspannungssystem und niedrigspannungssystem

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015200442A1 (de) * 2015-01-14 2016-07-14 Robert Bosch Gmbh Einschaltverzögerung für eigensichere Batteriezellen
DE102016221514A1 (de) * 2016-11-03 2018-05-03 Audi Ag Energietechnisches Koppeln eines Hochvoltbordnetzes mit einem Kleinspannungsbordnetz
JP6683167B2 (ja) * 2017-04-18 2020-04-15 株式会社デンソー 回転電機制御装置、及び電源システム
JP6787271B2 (ja) * 2017-07-25 2020-11-18 トヨタ自動車株式会社 電源システム
DE102017222192A1 (de) * 2017-12-07 2019-06-13 Audi Ag HV-Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, Bordnetz, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Steuern einer HV-Batterieanordnung
US10632862B2 (en) * 2018-01-30 2020-04-28 GM Global Technology Operations LLC Electric power system for an autonomous vehicle
DE102019210793A1 (de) * 2019-07-22 2021-01-28 Robert Bosch Gmbh Elektrisches Energiespeichersystem und Verfahren zu dessen Betreiben
US11381103B2 (en) * 2019-12-20 2022-07-05 Brunswick Corporation Variable voltage charging system and method for a vehicle
US20230216317A1 (en) * 2021-12-30 2023-07-06 Sustainable Energy Technologies, Inc. Supercapacitor system with an over voltage protection capability
EP4309949A1 (de) * 2022-07-19 2024-01-24 Volvo Truck Corporation Energiespeichersystem, elektrifiziertes fahrzeug mit einem solchen energiespeichersystem und verfahren zum betrieb eines solchen energiespeichers

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10017902A1 (de) * 2000-04-11 2001-10-25 Rohde & Schwarz Anordnung zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen zwei Spannungsquellen
DE10057259A1 (de) * 2000-11-18 2002-05-23 Bosch Gmbh Robert Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug
DE10150372A1 (de) * 2001-10-11 2003-04-24 Bosch Gmbh Robert Speicherloses Teilbordnetz eines Kraftfahrzeugs
EP1523083A1 (de) * 2003-10-06 2005-04-13 Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company Spannungsversorgungssystem in einem Kraftfahrzeug mit einem Zwei-Spannungs-Bordnetz und Verfahren zur Versorgung eines solchen Bordnetzes
US6909201B2 (en) 2003-01-06 2005-06-21 General Motors Corporation Dual voltage architecture for automotive electrical systems
DE102005038746A1 (de) * 2005-08-16 2007-03-01 Ford-Werke Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug
US7193392B2 (en) 2002-11-25 2007-03-20 Tiax Llc System and method for determining and balancing state of charge among series connected electrical energy storage units
DE102008037064A1 (de) * 2008-08-08 2010-02-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung für einen elektrischen Antrieb
DE102009024345A1 (de) * 2009-06-09 2011-01-20 Lisa Dräxlmaier GmbH Schaltungsanordnung und Steuerverfahren zur Spannungsstützung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs
DE102009046305A1 (de) * 2009-11-03 2011-05-05 Robert Bosch Gmbh Niedervolt-Spannungsversorgung
DE102010014104A1 (de) * 2010-04-07 2011-10-13 Dbk David + Baader Gmbh Elektrisches Energiebordnetz für ein Kraftfahrzeug
US8129952B2 (en) 2009-04-16 2012-03-06 Valence Technology, Inc. Battery systems and operational methods
DE102012206772A1 (de) * 2012-04-25 2013-10-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Stützspeicher mit Mittenabgriff

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08331773A (ja) * 1995-03-31 1996-12-13 Nippondenso Co Ltd 車両用電源システム
JP3450220B2 (ja) * 1999-04-16 2003-09-22 三菱電機株式会社 車両用電源装置
WO2001037393A1 (en) * 1999-11-16 2001-05-25 Johnson Controls Technology Company Bidirectional solid state dc to dc converter
US6583602B2 (en) * 2001-05-11 2003-06-24 Denso Corporation Vehicular power supply apparatus and method of controlling the same
EP1562252A1 (de) * 2004-02-05 2005-08-10 Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company Energieversorgungssystem
WO2010042517A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-15 Boston-Power, Inc. Li-ion battery array for vehicle and other large capacity applications
DE102009028147A1 (de) 2009-07-31 2011-02-03 Robert Bosch Gmbh Schaltungsanordnung für ein Bordnetz
JP4893804B2 (ja) 2009-11-05 2012-03-07 トヨタ自動車株式会社 車両用電源装置
JP5553385B2 (ja) * 2010-09-02 2014-07-16 オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社 電源制御装置
DE102012003309B4 (de) * 2012-02-18 2022-10-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems
DE102012010711A1 (de) * 2012-05-30 2013-03-28 Daimler Ag Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug und Verfahren zu deren Betrieb
US10106038B2 (en) * 2012-12-28 2018-10-23 Johnson Controls Technology Company Dual function battery system and method

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10017902A1 (de) * 2000-04-11 2001-10-25 Rohde & Schwarz Anordnung zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen zwei Spannungsquellen
DE10057259A1 (de) * 2000-11-18 2002-05-23 Bosch Gmbh Robert Mehrspannungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug
DE10150372A1 (de) * 2001-10-11 2003-04-24 Bosch Gmbh Robert Speicherloses Teilbordnetz eines Kraftfahrzeugs
US7193392B2 (en) 2002-11-25 2007-03-20 Tiax Llc System and method for determining and balancing state of charge among series connected electrical energy storage units
US6909201B2 (en) 2003-01-06 2005-06-21 General Motors Corporation Dual voltage architecture for automotive electrical systems
EP1523083A1 (de) * 2003-10-06 2005-04-13 Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company Spannungsversorgungssystem in einem Kraftfahrzeug mit einem Zwei-Spannungs-Bordnetz und Verfahren zur Versorgung eines solchen Bordnetzes
DE102005038746A1 (de) * 2005-08-16 2007-03-01 Ford-Werke Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug
DE102008037064A1 (de) * 2008-08-08 2010-02-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung für einen elektrischen Antrieb
US8129952B2 (en) 2009-04-16 2012-03-06 Valence Technology, Inc. Battery systems and operational methods
DE102009024345A1 (de) * 2009-06-09 2011-01-20 Lisa Dräxlmaier GmbH Schaltungsanordnung und Steuerverfahren zur Spannungsstützung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs
DE102009046305A1 (de) * 2009-11-03 2011-05-05 Robert Bosch Gmbh Niedervolt-Spannungsversorgung
DE102010014104A1 (de) * 2010-04-07 2011-10-13 Dbk David + Baader Gmbh Elektrisches Energiebordnetz für ein Kraftfahrzeug
DE102012206772A1 (de) * 2012-04-25 2013-10-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Stützspeicher mit Mittenabgriff

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3473487A1 (de) * 2017-10-18 2019-04-24 Hyundai Motor Company Batteriesystem für fahrzeug
US10351010B2 (en) 2017-10-18 2019-07-16 Hyundai Motor Company Battery system for vehicle
EP3540902A1 (de) * 2018-03-13 2019-09-18 Yazaki Corporation Stromversorgungssystem mit hochspannungssystem und niedrigspannungssystem
US11108248B2 (en) 2018-03-13 2021-08-31 Yazaki Corporation Power supply system including high-voltage system and low-voltage system and insulation thereof

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Publication number Publication date
CN105916726B (zh) 2018-08-24
WO2015110407A1 (de) 2015-07-30
US20170001585A1 (en) 2017-01-05
KR20160113133A (ko) 2016-09-28
US10029632B2 (en) 2018-07-24
CN105916726A (zh) 2016-08-31

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