DE102014207390A1

DE102014207390A1 - Bordnetz und Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes

Info

Publication number: DE102014207390A1
Application number: DE102014207390.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22
Also published as: CN105034991B; CN105034991A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) aufweist und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher (25), einem Starter-Generator (30) und einer Batterie (40), die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz (20) abzugeben, 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 und welche außerdem eingerichtet ist, dem Niederspannungsteilnetz (21) Energie zu entnehmen und dem Hochspannungsteilnetz (20) zuzuführen. Dabei ist vorgesehen, dass die Batterie (40) zumindest zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) mit Spannungsabgriffen (42) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind und die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zu- und wegzuschalten. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem derartigen Bordnetz (1), sowie ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes (1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes und ein Kraftfahrzeug mit dem Bordnetz.
In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 V betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer Starterbatterie 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 V erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie wieder auf. Wird die Batterie über das Bordnetz geladen, kann die tatsächliche Spannung über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V.
Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer Nennspannung von 48 V zu verwenden.
US 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 wieder aufladbaren Batteriemodule mit elektrischer Energie versorgt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher aufweist und ein Hochspannungsteilnetz mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher, einem Starter-Generator und einer Batterie, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz abzugeben. Dabei ist vorgesehen, dass das Hochspannungsteilnetz mit dem Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen, und welche außerdem eingerichtet ist, dem Niederspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Hochspannungsteilnetz zuzuführen. Außerdem ist vorgesehen, dass die Batterie zumindest zwei Batterieeinheiten mit Spannungsabgriffen aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind, und dass die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zu- und wegzuschalten.
Das Bordnetz 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 dabei den Lade- und Entladevorgängen im Hochspannungsteilnetz überlagert.
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-V-Generator und einen 14-V-Starter aufweisen, wobei der 14-V-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das Bordnetz mit 12 V bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Niederspannungsbordnetz bezeichnet. Das Bordnetz mit der Nennspannung von 48 V wird auch als Hochspannungsbordnetz bezeichnet.
Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die ein System zur Unterstützung beim Beschleunigen (boost) und Rückgewinnung (recuperation) von Bremsenergie aufweisen (Boost-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).
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gegenstands sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.
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.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit bidirektionale Schalter auf, mittels welcher die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zu- und wegschaltbar sind. Die bidirektionalen Schalter weisen zwei Anschlüsse auf, mittels welcher sie in die jeweilige Leitung eingebunden sind. Sie sind über einen dritten Anschluss in einen ersten Zustand „ein“ und in einen zweiten Zustand „aus“ schaltbar. Bevorzugt ermöglichen die bidirektionalen Schalter im ersten Zustand „ein“ einen Stromfluss in zwei Richtungen, d. h. in beide Richtungen bezüglich ihrer Anschlüsse, mittels welcher sie in die jeweilige Leitung eingebunden sind. Weiterhin bevorzugt nehmen die bidirektionalen Schalter im zweiten Zustand „aus“ eine Sperrspannung zweierlei Polarität auf.
Bei der Zuschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird bevorzugt zumindest ein bidirektionaler Schalter betätigt. Besonders bevorzugt werden zwei bidirektionale Schalter betätigt. Bei der Abschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird ebenfalls bevorzugt zumindest ein bidirektionaler, besonders bevorzugt werden zwei bidirektionale Schalter betätigt.
Die Batterieeinheiten sind bezüglich des Hochspannungsnetzes seriell, d.h. miteinander in Serie geschaltet.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Niederspannungsteilnetz eine Spannungspufferungseinrichtung aufweist, um bei den Umschaltvorgängen in der Koppeleinheit das Niederspannungsteilnetz so mit Strom zu versorgen, dass keine unzulässig hohen Spannungseinbrüche im Niederspannungsteilnetz auftreten. Wird hierfür 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:
i_max der maximale Bordnetzstrom ist, der während Umschaltvorgängen im Niederspannungsteilnetz fließen soll, t_umschalt die Zeitdauer ist, während der keine Batterieeinheit für die Versorgung bereitsteht und ΔU_max 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.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Niederspannungsteilnetz einen Fremdstartstützpunkt aufweist. Wurde die Batterie z.B. auf Grund sehr langer Standzeiten soweit entladen, dass ein Start des Fahrzeugs nicht mehr erfolgen kann, dann besteht die Möglichkeit, die Batterie über das Niederspannungsteilnetz zu laden. Hierzu wird der Fremdstartstützpunkt verwendet, um das Niederspannungsteilnetz mit einem anderen Fahrzeug zu koppeln oder ein Ladegerät anzuschließen. Über die Koppeleinheit können dann nacheinander die Batterieeinheiten der Batterie mit dem Niederspannungsteilnetz elektrisch verbunden und aufgeladen werden. Auf diese Weise kann die gesamte Batterie sequenziell geladen werden und anschließend den Fahrzeugstart darstellen. Für die Aufladefunktion ist erforderlich, dass die Koppeleinheit einen bidirektionalen Energiefluss unterstützt. Dies ist aufgrund der bidirektionalen Schalter mit der erfindungsgemäßen Anordnung gegeben.
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 Disc, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich und alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung, wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines zuvor beschriebenen Bordnetzes angegeben.
Bei Betrachtung einer optimierten Betriebsstrategie für das Bordnetz werden folgende Erwägungen angestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei gleichmäßig gealterten Zellen der Innenwiderstand und die Kapazität der Zellen bei gleichen Referenzbedingungen, d. h. im Wesentlichen gleicher Temperatur und gleichem Ladezustand, annähernd gleich sind.
Für eine Serienschaltung von Batteriezellen gelten folgende Aussagen:
Die maximal abgebbare Leistung wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt.
Die maximal entnehmbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt.
Die maximal zulässige Leistung bei Ladevorgängen wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt.
Die maximal zuführbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt.
Entsprechende Aussagen gelten auch für die bezüglich des Hochspannungsteilnetzes in Serie geschalteten Batterieeinheiten, bevorzugt Batteriemodule.
Da das Batteriesystem in einem Boost-Rekuperationssystem in der Lage sein soll, jederzeit möglichst viel Energie bei einem Bremsvorgang speichern zu können, und gleichzeitig in der Lage sein soll, einen Boost-Vorgang möglichst gut zu unterstützen, kann daraus die Anforderung abgeleitet werden, dass die Batterieeinheiten und die darin befindlichen Zellen alle möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen sollten, um die gestellten Anforderungen möglichst gut zu erfüllen.
Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgt daher bevorzugt aus derjenigen Batterieeinheit, die zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist. Da die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes zu den Lade- und Entladevorgängen im Hochspannungsteilnetz überlagert ist, wird durch diese Auswahlvorschrift sichergestellt, dass die Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird bzw. langsamer geladen wird als die anderen Batterieeinheiten. Dies hat eine Symmetrisierung der Ladezustände der Batterieeinheiten zur Folge. Die im Folgenden genannten Kriterien für die Umschaltvorgänge sind miteinander kombinierbar. Eine Umschaltung bei der Versorgung erfolgt dabei bevorzugt auf diejenige Batterieeinheit, die aktuell den höchsten Ladezustand aufweist.
Bevorzugt erfolgt ein Umschaltvorgang von einer Batterieeinheit auf eine Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand dann, wenn die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes durchgeschaltete Batterieeinheit einen Ladezustand aufweist, der mindestens um einen definierten Wert geringer ist als der Ladezustand der Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand. Damit sich bei gleichem Ladezustand der Batterieeinheiten also nicht ein sehr schneller Wechsel von einer Batterieeinheit auf die nächste einstellt, wird ein Schwellwert für die Differenz ΔSOC_umschalt der Ladezustände eingeführt, z.B. eine Differenz ΔSOC_umschalt mit einem definierten Wert zwischen 0,5% und 20%, bevorzugt zwischen 1% und 5%, besonders bevorzugt etwa 2%. Der definierte Wert muss überschritten werden, damit die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes von der aktuell durchgeschalteten Batterieeinheit auf die Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand wechselt.
Weiterhin bevorzugt wird eine Stromstärke des Niederspannungsteilnetzes ermittelt und ein Umschaltvorgang nur dann ausgeführt, falls die ermittelte 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 einem 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.
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:

a) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz,
b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem Niederspannungsteilnetz.

Die Schritte a) und b) werden dabei mit einer Verzögerung durchgeführt, d. h. nicht gleichzeitig.
Bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit im Schritt a) werden bevorzugt zumindest ein bidirektionaler, besonders bevorzugt zwei bidirektionale Schalter betätigt. Bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt b) werden bevorzugt zumindest ein bidirektionaler Schalter, besonders bevorzugt zwei bidirektionale Schalter betätigt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit Batteriesystem, insbesondere mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem, für Kraftfahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperationssystem mit bidirektionaler Versorgung der Teilnetze aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie und der Starter. 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 einer galvanisch nicht trennenden Koppeleinheit,
5 einen Ausschnitt des Bordnetzes aus 4 mit einer Detaildarstellung der Koppeleinheit,
6 einen Ausschnitt des Bordnetzes aus 4 in einem Betriebszustand,
7 bidirektionale Schalter.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. In Fällen, in welchen dieselben Elemente in einer Figur mehrfach vorkommen, können deren Bezugszeichen zum Zweck des besseren Verständnisses durchnummeriert sein. Allerdings wird im Text der Übersicht halber wiederum gelegentlich auf die Durchnummerierung verzichtet. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Bordnetz 1 nach dem Stand der Technik. Beim Starten eines Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz 1 von einer Starterbatterie 10 eine Spannung einem Starter 11 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter 12 geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13 an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 V erzeugt und über das Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 22, der eine Koppeleinheit 33 zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers sein.
Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-V-Bordnetz mit einem elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der elektrische Generator 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst weiterhin eine Batterie 24, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die nötige Betriebsspannung dem Hochspannungsteilnetz 20 auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Hochspannungsverbraucher 25, als Lastwiderstände dargestellt, angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
Im Niederspannungsteilnetz 21, welches ausgangsseitig an dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet ist, befinden sich ein Starter 26 und ein Schalter 27, um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, die Niederspannung in Höhe von beispielsweise 12 V oder 14 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind Niederspannungsverbraucher 29 angeordnet, die mit der Niederspannung betrieben werden. Der Energiespeicher 28 umfasst beispielsweise galvanische Zellen, insbesondere solche einer Blei-Säurebatterie, welche in vollgeladenem Zustand (state of charge, SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 V aufweist. Im entladenen Zustand (state of charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 V auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 V und 15 V.
Der DC/DC-Wandler 22 ist eingangsseitig mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und mit dem 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 V, zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche von der eingangsseitig empfangenen Spannung verschieden ist, insbesondere eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche kleiner ist als die eingangsseitig empfangene Spannung, beispielsweise 12 V oder 14 V, und der des Niederspannungsteilnetzes 21 entspricht.
3 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21, welche durch einen bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 31 verbunden sind. Das dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in 2 dargestellte Bordnetz 1 ausgebildet, wobei der Starter 26 aus 2 mit dem 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 bidirektional ausgeführt ist. In den Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, Energiespeicher 28 und Verbraucher 25, 29 angeordnet, wie mit Bezug zu 2 beschrieben.
Im Wesentlichen unterscheidet sich das in 3 dargestellte System durch die Einbindung des Starters 26. Während in dem in 2 dargestellten System der Starter 26 im Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet ist und hierdurch der DC/DC-Wandler 22 unidirektional für einen Energietransport vom Hochspannungsteilnetz 20 in das Niederspannungsteilnetz 21 ausgelegt sein kann, wird bei der in 3 dargestellten Architektur ein Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingesetzt. In diesem Fall ist der DC/DC-Wandler 31 bidirektional ausgeführt, sodass die Batterie 24, insbesondere die Lithium-Ionen-Batterie, ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des Kraftfahrzeugs erfolgt dann über eine Niederspannungsschnittstelle (nicht dargestellt) und den DC/DC-Wandler 31.
4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21, beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48-V-Generator, einem 14-V-Starter und einem Boost-Rekuperationssystem.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen Starter-Generator 30, welcher einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) starten kann und von diesem betreibbar ist. Der Starter-Generator 30 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Hochspannungsverbraucher 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz 20 die Betriebsspannung von 48 V auszugeben. Die Lithium-Ionen-Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 V bevorzugt eine Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können.
Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf, wobei den Batterieeinheiten 41 jeweils mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 V.
Den Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n sind Einzelspannungsabgriffe 42 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Bei einer Serienschaltung der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n, wie in 4 dargestellt, sind die Einzelspannungsabgriffe 42 zwischen den Batterieeinheiten 41 angeordnet, sowie an den Enden der Batterie 40 jeweils ein Einzelspannungsabgriff. Bei einer Anzahl von n Batterieeinheiten 41 ergeben sich hierdurch n + 1 Einzelspannungsabgriffe 42. Durch die zusätzlichen Einzelspannungsabgriffe 42 ist die Batterie 40 in mehrere Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n unterteilt, welche im Rahmen der Erfindung auch als Teilbatterien bezeichnet werden können. Die Einzelspannungsabgriffe 42 sind so gewählt, dass die Batterieeinheiten 41 jeweils eine Spannungslage aufweisen, mit der das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt werden kann.
Eine Aufgabe der Koppeleinheit 33 ist es, zumindest eine der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 durchzuschalten. Die Koppeleinheit 33 koppelt somit das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V.
Eine weitere Aufgabe der Koppeleinheit 33 ist es, einen Energiefluss vom Niederspannungsteilnetz 21 zum Hochspannungsteilnetz 20 zu ermöglichen. Der Energiefluss vom Niederspannungsteilnetz 21 zum Hochspannungsteilnetz 20 kann zum Beispiel genutzt werden, falls die Batterie 40 so weit entladen ist, dass kein Start des Fahrzeugs mehr möglich ist. Die Batterie 40 kann hier über einen Fremdstartstützpunkt 53, welcher im Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet ist, geladen werden, um den Start zu ermöglichen. Eine Starthilfe ist beispielsweise durch Fahrzeuge mit gewöhnlichem Standardbordnetz möglich und durch Fahrzeuge, welche eine spezielle Niederspannungsschnittstelle aufweisen, aber auch mittels eines Niederspannungsnetzgeräts oder eines Ladegeräts.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Koppeleinheit 33 sind mit Bezug zu den 5 und 6 beschrieben.
Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batterie 40 die Versorgung von den Verbrauchern 25, 29 bei abgestelltem Kraftfahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Kraftfahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie 40 während der Standzeit unter anderem auch die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.
Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein z. B. als Hochleistungsspeicher oder Pufferspeicher ausgelegter Energiespeicher 28 angeordnet, der kurzzeitig hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist. Der Energiespeicher 28 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n weiter vermieden werden. Wird als Energiespeicher 28 ein Kondensator eingesetzt, so ist dessen Dimensionierung bevorzugt:
wobei I_max der maximale Bordnetzstrom ist, der während der Umschaltvorgänge im Bordnetz 1 fließen kann, t_umschalt die Zeitdauer, während welcher keine Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n für die Versorgung bereit steht, und ΔU_max die maximal zulässige Veränderung der Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs.
Das in 4 dargestellte Bordnetz 1 kann weiterhin ein Batteriemanagementsystem (BMS) umfassen (nicht dargestellt). Das Batteriemanagementsystem umfasst ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie 40 bzw. der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n zu erfassen, zu verarbeiten und hieraus beispielsweise Aussagen über den Gesundheitszustand der Batterie 40 zu treffen. Das Batteriemanagementsystem umfasst dabei eine Einheit, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit 33 so zu regeln, dass diese die Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n selektiv dem Niederspannungsteilnetz 21 zuschalten kann.
5 zeigt einen Ausschnitt aus 4 mit detaillierter Darstellung der Koppeleinheit 33, die als bidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist, nach einer Ausführungsform der Erfindung. Die Koppeleinheit 33 umfasst bidirektionale Schalter 54, welche die Eigenschaft aufweisen, dass sie in einem Zustand „ein“ einen Stromfluss in beide Stromrichtungen I₁, I₂ 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. Beispiele für den näheren Aufbau der bidirektionalen Schalter 54 sind mit Bezug zu 7 beschrieben.
Die Koppeleinheit 33 weist Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 für die Einzelspannungsabgriffe 42 der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n auf. In der Koppeleinheit 33 sind die Hochspannungsteilnetzschnittstellen 35 an Verzweigungspunkten 43 verzweigt und jeweils zwei der bidirektionalen Schalter 54 zugeführt. Die bidirektionalen Schalter 54 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf einen Pluspol 52 oder auf einen Minuspol 51 geschaltet. Die Koppeleinheit 33 weist hierzu Niederspannungsteilnetzschnittstellen 36 auf.
In 6 zeigt, wie die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 aus einer der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n über die zugehörigen bidirektionalen Schalter 54 erfolgt. Die beiden Teilnetze 20, 21 sind dabei galvanisch miteinander verbunden.
Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen ersten bidirektionalen Schalter 54-i über eine erste durchgeschaltete Batterieeinheit 41-1 und über einen zweiten bidirektionalen Schalter 54-j zum Minuspol 51. Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über einen dritten bidirektionalen Schalter 54-k über eine zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41-n über einen vierten bidirektionalen Schalter 54-l zum Minuspol 51. In der Praxis wird zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich einer der beiden Strompfade 71, 72 aktiv sein, das heißt es wird lediglich eine Batterieeinheit 41-1, 41-2, ... 41-n zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 eingesetzt.
Der Betrieb des in 4 dargestellten Starter-Generators 30 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. In der ersten durchgeschalteten Batterieeinheit 41-1 beispielsweise, die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den gegebenenfalls vom Starter-Generator 30 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, zum Beispiel 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 bidirektionalen Schalter 54 der Koppeleinheit 33 zugeschaltet. Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des Niederspannungsteilnetzes 21 ist davon abhängig, welche der Batterieeinheiten 41-1, 41-2, ... 41-n zugeschaltet ist. In keinem der Betriebszustände weist eines der Potentiale jedoch einen Betrag auf, der die Berührspannungsgrenze von 60 V überschreitet. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des Niederspannungsteilnetzes 21 auftreten.
Soll zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 ein Wechsel von der ersten durchgeschalteten Batterieeinheit 41-1 auf die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41-n erfolgen, müssen der erste und der zweite bidirektionale Schalter 54-i, 54-j ausgeschaltet werden und der dritte und der vierte bidirektionale Schalter 54-k, 54-l eingeschaltet werden. Würden die Schaltbefehle für den erste, zweiten, dritten und vierten bidirektionalen Schalter 54-i, 54-j, 54-k, 54-l synchron erfolgen, so würde auf Grund der Funktionsweise der bidirektionalen Schalter 54 der Pluspol 52 des Niederspannungsteilnetzes 21 während der Schaltphase mit dem höheren Potential der beiden durchgeschalteten Batterieeinheiten 41-1, 41-n verbunden und der Minuspol 51 mit dem tieferen Potential der beiden durchgeschalteten Batterieeinheiten 41-1, 41-n verbunden. Damit würde kurzzeitig eine wesentlich größere Spannung an das Niederspannungsteilnetz 21 angelegt, als die Spezifikation erlaubt. Im ungünstigsten Fall, der in 6 betrachtet wird, stünde kurzfristig die Spannung der gesamten Batterie 40 im Niederspannungsteilnetz 21 an. Um diese Überspannungen zu vermeiden, werden zunächst die bidirektionalen Schalter 54-i, 54-j der aktuell stromführenden Batterieeinheit 41-1 abgeschaltet. Nachdem die bidirektionalen Schalter 54-i, 54-j der bisher stromführenden Batterieeinheit 41-1 keinen Strom mehr führen, werden die bidirektionalen Schalter 54-k, 54-l der zuzuschaltenden Batterieeinheit 41-n eingeschaltet. Auf diese Weise wird vermieden, dass im Niederspannungsteilnetz 21 unzulässig hohe Spannungen auftreten.
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.
7 zeigt zwei mögliche Aufbauten von bidirektionalen Schaltern 54, die als bidirektionale Schalter 54-1 ersten Typs und bidirektionale Schalter 54-2 zweiten Typs bezeichnet werden.
Die Durchlassrichtung der bidirektionalen Schalter 54 ist durch die Stromrichtung mit I₁, I₂ angegeben.
Ein bidirektionaler Schalter 54-1 ersten Typs umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET 101 oder Bipolartransistor in Kombination mit einer Diodenbrückenschaltung. In 7 ist ein MOSFET 101 mit seiner intrinsischen Diode 102 dargestellt. Die Diodenbrückenschaltung umfasst hier beispielhaft vier Dioden 103, 104, 105, 106, wobei eine erste Diode 103 und eine zweite Diode 104 bezüglich einer dritten Diode 105 und einer vierten Diode 106 parallel geschaltet sind. Der MOSFET 101 ist einerseits zwischen der ersten Diode 103 und der zweiten Diode 104 angeschlossen und andererseits zwischen der dritten Diode 105 und der vierten Diode 106. Die erste Diode 103 und die zweite Diode 104 sowie die dritte Diode 105 und die vierte Diode 106 sind gegenpolig oder antiseriell verschaltet, so dass kein Strom ausschließlich über die Dioden 103, 104, 105, 106 fließen kann, ohne dabei den MOSFET 101 zu passieren. Der Stromfluss über die dritte Diode 105 ist in die erste Stromrichtung I₁ nicht möglich, da diese sperrt. Ebenso ist der Stromfluss in die zweite Stromrichtung I₂ über die vierte Diode 106 nicht möglich, da diese sperrt. Ist der MOSFET 101 ausgeschaltet, so blockiert dessen intrinsische Diode 102 den Stromfluss in beide Stromrichtungen I₁, I₂.
Wird der MOSFET 101 betätigt, ist dagegen ein Stromfluss in beide Stromrichtungen I₁, I₂ möglich. Ein Stromfluss in die erste Stromrichtung I₁ erfolgt bei eingeschaltetem MOSFET 101 über die erste Diode 103 und die vierte Diode 106. In die zweite Stromrichtung I₂ erfolgt der Stromfluss bei eingeschaltetem MOSFET 101 über die zweite Diode 104 und die dritte Diode 105.
Ein bidirektionaler Schalter 54-2 zweiten Typs umfasst eine gegenpolige oder antiserielle Verschaltung zweier IGBTs, MOSFETs 101-1, 101-2 oder Bipolartransistoren. In 7 sind die zwei MOSFETs 101-1, 101-2 wiederum mit ihren intrinsischen Dioden 102-1, 102-2 dargestellt. Sind die MOSFETs 101-1, 101-2 ausgeschaltet, so sperrt aufgrund der antiseriellen Verschaltung jeweils eine intrinsische Diode 102-1 oder 102-2.
Bei eingeschalteten MOSFETs 101 erfolgt der Strom in die erste Stromrichtung I₁ über die nicht-sperrende intrinsische Diode 102-1 und den eingeschalteten MOSFET 101-2. In die zweite Stromrichtung I₂ erfolgt der Stromfluss über die nicht-sperrende intrinsische Diode 102-2 und den eingeschalteten MOSFET 101-1.
Die bidirektionalen Schalter 54-1, 54-2 ersten und zweiten Typs zeichnen sich auch durch eine kaum merkliche Verzögerung bei den Schaltvorgängen aus, d.h. sie erlauben eine sehr kurze Umschaltdauer. Über eine geeignete Ansteuerschaltung kann die Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten der bidirektionalen Schalter 54 sehr genau eingestellt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7193392 [0004]
US 6909201 [0005]
US 8129952 [0006]

Claims

Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) aufweist und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher (25), einem Starter-Generator (30) und einer Batterie (40), die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz (20) abzugeben, 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 und welche außerdem eingerichtet ist, dem Niederspannungsteilnetz (21) Energie zu entnehmen und dem Hochspannungsteilnetz (20) zuzuführen, wobei die Batterie (40) zumindest zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) mit Spannungsabgriffen (42) 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 zu- und wegzuschalten.
Bordnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) bidirektionale Schalter (54) aufweist, mittels welcher die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zu- und wegschaltbar sind.
Bordnetz (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionalen Schalter (54) eingerichtet sind, in einem ersten Zustand „ein“ einen Stromfluss in zwei Stromrichtungen (I₁, I₂) zu ermöglichen und in einem zweiten Zustand „aus“ eine Sperrspannung zweierlei Polarität aufzunehmen.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (41-1, 41-2, ... 41-n) bezüglich des Hochspannungsnetzes (20) in Serie geschaltet sind.
Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungsteilnetz (21) einen Fremdstartstützpunkt (53) aufweist.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Bordnetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes (21) bevorzugt aus derjenigen Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) erfolgt, die zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Umschaltvorgang von einer Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) auf eine Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) mit dem höchsten Ladezustand dann erfolgt, wenn die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes (21) durchgeschaltete Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) einen Ladezustand aufweist, der mindestens um einen definierten Wert geringer ist als der Ladezustand der Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) mit dem höchsten Ladezustand.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Stromstärke des Niederspannungsteilnetzes (21) ermittelt wird und der Umschaltvorgang nur dann ausgeführt wird, falls die ermittelte Stromstärke unterhalb eines definierten Schwellenwertes liegt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei vor dem Umschaltvorgang Niederspannungsverbraucher (29) abgeschaltet werden.
Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein 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) bevorzugt unter Ausführung folgender Schritte nacheinander erfolgt: a) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) von dem Niederspannungsteilnetz (21), b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41-1, 41-2, ... 41-n) zu dem Niederspannungsteilnetz (21).