DE102015003122A1 - Motor vehicle with a battery assembly and method for operating a battery assembly - Google Patents
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Abstract
Kraftfahrzeug (1) mit einer Batterieanordnung (2), umfassend eine Bleibatterie (9), deren negative Elektrode (18) mit einem Massepotential (7) verbunden ist, und eine Lithium-Ionen-Batterie (10), deren positive Elektrode (19) mit der positiven Elektrode (17) der Bleibatterie (9) verbunden ist und deren Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand größer als die Ladespannung der Bleibatterie (9) ist, wobei wenigstens ein Verbraucher (3, 4, 5) des Kraftfahrzeugs (1) an die Batterieanordnung (2) angeschlossen ist, wobei die Batterieanordnung (2) weiteren Energiespeicher (11), dessen negative Elektrode (22) mit dem Massepotential (7) verbunden ist, und eine Umschalteinrichtung (12) umfasst, mittels derer die negative Elektrode (20) der Lithium-Ionen-Batterie (10) beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Zuschaltereignissen an eine positive Elektrode (21) des weiteren Energiespeichers (11) und beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Rückschaltereignissen gegen das Massepotential (7) umschaltbar ist.Motor vehicle (1) with a battery arrangement (2), comprising a lead-acid battery (9) whose negative electrode (18) is connected to a ground potential (7), and a lithium-ion battery (10), whose positive electrode (19) is connected to the positive electrode (17) of the lead-acid battery (9) and whose open circuit voltage in the fully charged state is greater than the charging voltage of the lead-acid battery (9), wherein at least one consumer (3, 4, 5) of the motor vehicle (1) to the Battery arrangement (2) is connected, wherein the battery assembly (2) further energy storage (11) whose negative electrode (22) is connected to the ground potential (7), and a switching device (12) by means of which the negative electrode (20) the lithium-ion battery (10) upon the occurrence of at least one of one or more connection events to a positive electrode (21) of the further energy store (11) and at least one of one or more downshift event sen against the ground potential (7) is switchable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung, umfassend eine Bleibatterie, deren negative Elektrode mit einem Massepotential verbunden ist, und eine Lithium-Ionen-Batterie, deren positive Elektrode mit der positiven Elektrode der Bleibatterie verbunden ist und deren Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand größer als die Ladespannung der Bleibatterie ist, wobei wenigstens ein Verbraucher des Kraftfahrzeugs an die Batterieanordnung angeschlossen ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a motor vehicle with a battery assembly, comprising a lead-acid battery whose negative electrode is connected to a ground potential, and a lithium-ion battery whose positive electrode is connected to the positive electrode of the lead-acid battery and the open-circuit voltage in the fully charged state greater than the charging voltage of the lead-acid battery is, wherein at least one consumer of the motor vehicle is connected to the battery assembly. In addition, the invention relates to a method for operating a battery assembly of a motor vehicle.
Moderne Fahrzeuge weisen eine zunehmende Anzahl von Verbrauchern, wie z. B. Riemenstartergeneratoren oder Turbolader, auf, die in einer sehr kurzen Zeit hohe Ströme von bis zu mehreren hundert Ampere benötigen. Ebenso werden vermehrt neue Rekuperationsverfahren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, was eine Zunahme an Lade- und Entladezyklen mit sich zieht. Herkömmliche Bleibatterien werden den Anforderungen dieser Technologien nicht gerecht.Modern vehicles have an increasing number of consumers, such. As belt starter generators or turbochargers, which require high currents of up to several hundred amps in a very short time. Likewise, new recuperation methods are increasingly used in motor vehicles, which entails an increase in charging and discharging cycles. Conventional lead acid batteries do not meet the requirements of these technologies.
Es sind daher Batterieanordnungen bekannt, die eine Bleibatterie mit einer parallel geschalteten Lithium-Ionen-Batterie umfassen, wobei die Leerlaufspannung der Lithium-Ionen-Batterie im vollständig geladenen Zustand größer ist als die Ladespannung der Bleibatterie. So wird erreicht, dass die Lithium-Ionen-Batterie nur teilgeladen ist, wenn die Bleibatterie nahezu vollständig geladen ist. Im Falle einer Spannungserhöhung durch Rekuperation ist die Ladeakzeptanz der Lithium-Ionen-Batterie damit ungleich höher als jene der Bleibatterie.There are therefore known battery arrangements comprising a lead-acid battery with a parallel-connected lithium-ion battery, wherein the open-circuit voltage of the lithium-ion battery in the fully charged state is greater than the charging voltage of the lead-acid battery. This ensures that the lithium-ion battery is only partially charged when the lead-acid battery is almost fully charged. In the case of a voltage increase by recuperation, the charge acceptance of the lithium-ion battery is thus much higher than that of the lead-acid battery.
Die
Da Lithium-Ionen-Batterien jedoch bei niedrigen Außentemperaturen einen starken Anstieg des Innenwiderstandes aufweisen, haben herkömmliche Batterieanordnungen den Nachteil, dass ihre Leistung bei hohen Lastenforderungen erheblich von äußeren Umweltbedingungen abhängig ist.However, since lithium-ion batteries exhibit a large increase in internal resistance at low outside temperatures, conventional battery arrangements have the disadvantage that their performance is heavily dependent on external environmental conditions at high load requirements.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung anzugeben, die in einer größeren Zahl von Betriebsfällen verlässlich einsetzbar ist.The invention is therefore based on the object to provide an improved motor vehicle with a battery assembly that can be reliably used in a larger number of operating cases.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Batterieanordnung einen weiteren Energiespeicher, dessen negative Elektrode mit dem Massepotential verbunden ist, und eine Umschalteinrichtung umfasst, mittels derer die negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Zuschaltereignissen an eine positive Elektrode des weiteren Energiespeichers und beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Rückschaltereignissen gegen das Massepotential umschaltbar ist.According to the invention, this object is achieved in a motor vehicle of the type mentioned above in that the battery arrangement comprises a further energy store whose negative electrode is connected to the ground potential, and a switching device by means of which the negative electrode of the lithium-ion battery at least one is switchable from one or more Zuschaltereignissen to a positive electrode of the further energy storage and at the occurrence of at least one of one or more switch-back events against the ground potential.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Spannung des zu der Bleibatterie parallel geschalteten, die Lithium-Ionen-Batterie umfassenden Schaltungszweigs, bedarfsabhängig zu erhöhen. Dazu wird in Abhängigkeit wenigstens eines Zuschaltereignisses der weitere Energiespeicher in Reihe zur Lithium-Ionen-Batterie geschaltet, so dass sich deren Spannungen addieren. Analog dazu kann bei wenigstens einem Rückschaltereignis, im einfachsten Fall also dem Wegfall des Zuschaltereignisses, die Batterieanordnung wieder in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden, so dass nur noch die Lithium-Ionen-Batterie und die Bleibatterie parallel zueinander geschaltet sind.The invention is based on the consideration, the voltage of the lead-acid battery connected in parallel, the lithium-ion battery comprehensive circuit branch, as needed, to increase. For this purpose, the further energy store is connected in series with the lithium-ion battery as a function of at least one switch-on event, so that their voltages add up. Similarly, in at least one downshift event, in the simplest case so the elimination of the Zuschaltereignisses, the battery assembly can be restored to its original state, so that only the lithium-ion battery and the lead-acid battery are connected in parallel.
Für die beschriebenen Schaltaufgaben ist die Umschalteinrichtung vorgesehen, welche einen mechanischen Umschalter aufweisen kann, jedoch bevorzugt eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung mehrerer Leistungshalbleiterschalter aufweist. Darüber hinaus ist es besonders zweckmäßig, wenn die Umschalteinrichtung eine Steuerungseinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, das Eintreten von Zuschaltereignissen und Rückschaltereignissen zu erkennen und die Schalterelemente zu steuern.For the described switching tasks, the switching device is provided, which may have a mechanical switch, but preferably has a known per se from the prior art arrangement of multiple power semiconductor switch. In addition, it is particularly expedient if the switching device comprises a control device which is designed to detect the occurrence of switch-on events and switch-back events and to control the switch elements.
Die Zuschaltereignisse und die Rückschaltereignisse werden dabei so gewählt, dass sie Betriebszustände abdecken, in welchen eine erhöhte Ausgangsspannung der Lithium-Ionen-Batterie benötigt wird. Dies kann insbesondere Fälle betreffen, in denen durch eine niedrige Außentemperatur, insbesondere unterhalb des Gefrierpunkts, der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie so stark zugenommen hat, dass bei der Abgabe hoher Ströme einen erheblichen Spannungseinbruch an ihrer positiven Elektrode auftritt. Zweckmäßig zu wählende Betriebsfälle werden im Weiteren detaillierter beschrieben.The connection events and the switch-back events are selected so that they cover operating conditions in which an increased output voltage of the lithium-ion battery is required. This may in particular relate to cases in which due to a low outside temperature, in particular below freezing, the internal resistance of the lithium-ion battery has increased so much that when high currents are discharged, a significant voltage dip occurs at its positive electrode. Operational cases to be suitably selected will be described in more detail below.
Vorteilhafterweise kann mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeug ein Betrieb besonders stromintensiver Verbraucher in einer großen Anzahl von Betriebszuständen ermöglicht werden. Dabei müssen diese Betriebszustände lediglich durch geeignete Sensoren erfasst und durch die Steuerungseinrichtung erkannt werden. Durch das Zuschalten des weiteren Energiespeichers können so insbesondere temperaturbedingte Spannungseinbrüche der Lithium-Ionen-Batterie ausgeglichen oder zumindest abgemildert werden, so dass auch in diesen Fällen eine kurzfristige Belastung der Bleibatterie und eine damit verbundene Zyklisierung verhindert wird.Advantageously, with a vehicle according to the invention an operation of particularly electricity-intensive consumers in a large number of operating conditions are made possible. These operating conditions must be detected only by suitable sensors and detected by the control device. By connecting the further energy storage so particular temperature-induced voltage dips of the lithium-ion battery can be compensated or at least mitigated, so that even in these cases a short-term load on the lead-acid battery and an associated cyclization is prevented.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass ein Zuschaltereignis ein Unterschreiten eines ersten Spannungsschwellwertes und/oder ein Rückschaltereignis ein Überschreiten eines, insbesondere größer als der erste Spannungsschwellwert gewählten, zweiten Spannungsschwellwertes durch die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie ist. Mithin wird vorgeschlagen, die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie zu erfassen und aus einem Unterschreiten eines ersten Spannungsschwellwertes ein Zuschaltereignis zu erkennen. Es kann so mittelbar der Innenwiderstand der Batterieanordnung erfasst und bei dessen Ansteigen der weitere Energiespeicher zugeschaltet werden. Analog dazu wird ein Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwertes als Rückschaltereignis gewertet, wobei es besonders sinnvoll ist, den zweiten Spannungsschwellwert oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes zu wählen, so dass ein Hystereseverhalten erzielt wird, welches ein Oszillieren zwischen dem Zuschaltereignis und dem Rückschaltereignis verhindert. Selbstverständlich kann die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie auch aus anderen Spannungen, insbesondere jener an der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie oder an weiteren Stellen eines Bordnetzes des Kraftfahrzeuges, welche elektrisch leitend mit der positiven Elektrode der Bleibatterie verbunden sind, abgeleitet werden. Vorteilhafterweise werden durch diese Ausführungen somit sämtliche Fälle, in denen die Spannung an der positiven Elektrode der Bleibatterie ein kritisches Maß, nämlich den ersten Spannungsschwellwert, unterschreitet, abgedeckt und durch das Zuschalten des weiteren Energiespeichers behandelt.A preferred embodiment provides that a connection event is a falling below a first Spannungsschwellwertes and / or a reset event is exceeded, in particular greater than the first voltage threshold selected, second voltage threshold by the voltage at the positive electrode of the lead-acid battery. It is therefore proposed to detect the voltage at the positive electrode of the lead-acid battery and to detect a turn-on event from a drop below a first voltage threshold value. It can thus indirectly detected the internal resistance of the battery assembly and be switched on the increase of the further energy storage. Analogously thereto, exceeding a second voltage threshold value is rated as a downshift event, wherein it is particularly expedient to select the second voltage threshold value above the first voltage threshold value, so that a hysteresis behavior is achieved which prevents oscillation between the switch-on event and the switch-back event. Of course, the voltage at the positive electrode of the lead-acid battery can also be derived from other voltages, in particular those at the positive electrode of the lithium-ion battery or at other locations of an electrical system of the motor vehicle, which are electrically connected to the positive electrode of the lead-acid battery , Advantageously, these embodiments thus cover all cases in which the voltage at the positive electrode of the lead-acid battery falls below a critical level, namely the first voltage threshold, and is treated by connecting the further energy store.
Es kann ferner bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorgesehen sein, dass ein Zuschaltereignis ein Überschreiten eines ersten Stromschwellwertes und/oder ein Rückschaltereignis ein Unterschreiten eines, insbesondere kleiner als der erste Stromschwellwert gewählten, zweiten Stromschwellwertes durch den von der Batterieanordnung an die an sie angeschlossenen Verbraucher abgegebenen Strom ist. Es kann also alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass die Stromstärke, welche von der Batterieanordnung bereitgestellt wird, die Notwendigkeit eines Zuschaltens des weiteren Energiespeichers indiziert, während der erste Stromschwellwert überschritten wird. Es wird also über einen geringen Außenwiderstand der Batterieanordnung darauf geschlossen, dass die an den Verbrauchern anliegende Spannung erhöht werden soll. Analog kann beim Unterschreiten des zweiten Stromschwellwertes ein Rückschaltereignis ausgelöst werden. Dabei kann der erste Stromschwellwert mit dem zweiten Stromschwellwert identisch sein, es wird allerdings bevorzugt, dass der zweite Stromschwellwert kleiner als der erste Stromschwellwert gewählt ist, um wie bezüglich des Spannungsschwellwerts erläutert ein Hystereseverhalten zu realisieren.It can also be provided in a motor vehicle according to the invention that a connection event exceeding a first current threshold and / or a switch-off event falls below a, selected in particular smaller than the first current threshold, second current threshold by the output from the battery assembly to the consumers connected to them stream has. Thus, alternatively or additionally, it may also be provided that the current intensity which is provided by the battery arrangement indicates the necessity of connecting the further energy store, while the first current threshold value is exceeded. It is therefore concluded via a low external resistance of the battery assembly that the voltage applied to the load voltage should be increased. Similarly, a downshift event can be triggered when the second current threshold value is undershot. In this case, the first current threshold value can be identical to the second current threshold value, but it is preferred that the second current threshold value is selected smaller than the first current threshold value in order to realize a hysteresis behavior as explained with respect to the voltage threshold value.
Es ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug des Weiteren vorteilhaft, wenn ein Zuschaltereignis das Aktivieren und/oder ein Rückschaltereignis das Deaktivieren wenigstens eines Verbrauchers, insbesondere eines Turboladers und/oder eines Startergenerators, ist. Es wird somit insbesondere das Einschalten und/oder Ausschalten des Verbrauchers für das Zuschalten des weiteren Energiespeichers verwendet. Als Verbraucher kommen dabei insbesondere solche in Betracht, die kurzfristig einen sehr hohen Strom der Batterieanordnung aufnehmen, wie beispielsweise Turbolader oder Startergeneratoren, insbesondere Riemenstartergeneratoren. Da bei modernen Kraftfahrzeugen der Betriebszustand, also auch das Aktivieren und/oder Deaktivieren von Verbrauchern, häufig als Information auf einem Fahrzeugbussystem bereitsteht, kann so vorteilhafterweise der Bedarf eines Zuschaltens des weiteren Energiespeichers sehr einfach erkannt werden.It is further advantageous in a motor vehicle according to the invention if a connection event is the activation and / or a switch-back event the deactivation of at least one consumer, in particular a turbocharger and / or a starter generator. It is thus used in particular switching on and / or off the consumer for the connection of the other energy storage. As consumers, in particular those come into consideration, the short term record a very high power of the battery assembly, such as turbocharger or starter generators, especially belt starter generators. Since in modern motor vehicles, the operating state, including the activation and / or deactivation of consumers, often as information on a vehicle bus system is ready, so advantageously the need for connecting the other energy storage can be easily detected.
Es ist bei einem solchen Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft, wenn die für den Zeitpunkt seines Zuschaltens vorgesehene Betriebsspannung des weiteren Energiespeichers größer als ein Spannungseinbruch, der im Zeitpunkt des Einschaltens des Verbrauchers an der positiven Elektrode der Bleibatterie auftritt, gewählt ist. Es ist also zweckmäßig, bei bekannten Verbrauchern die über die Leerlaufspannung des weiteren Energiespeichers so auszulegen, dass der von ihnen verursachte Spannungseinbruch wenigstens kompensiert wird.It is particularly advantageous in such a motor vehicle when the operating voltage of the further energy store provided for the time of its connection is selected to be greater than a voltage dip which occurs at the time the consumer is switched on at the positive electrode of the lead battery. It is therefore expedient, in the case of known consumers, to design that via the no-load voltage of the further energy store so that the voltage drop caused by them is at least compensated.
Die Dimensionierung des weiteren Energiespeichers hängt auch von der Spannung des Bordnetzes ab. Bei einem 12-V-Bordnetz ist es daher besonders vorteilhaft, wenn der weitere Energiespeicher dazu ausgebildet ist, beim Zuschalten eine Spannung zwischen 1,0 und 3,7 V, bevorzugt zwischen 1,5 und 3,0 V, bereitzustellen. Es ist besonders zweckmäßig, wenn er eine Nennkapazität von wenigstens 2500 As, bevorzugt 3500 As, aufweist. Es ist ferner besonders vorteilhaft, wenn der weitere Energiespeicher so ausgebildet ist, dass ausgehend von einem aufgeladenen Zustand in einer jeweiligen Konfiguration der Batterieanordnung seine Betriebsspannung nach Abgabe einer Ladung von bis zu 2000 As, bevorzugt bis zu 2700 As, ohne zwischenzeitliches Nachladen um höchstens 1,0 V reduziert ist. Vorteilhafterweise können so bei mehreren Zuschaltereignissen (z. B. dreimaliges Zuschalten für jeweils 3 s bei einer mittleren Stromabgabe von 300 A) Spannungseinbrüche ohne erneutes Zwischenladen kompensiert werden.The dimensioning of the further energy storage also depends on the voltage of the electrical system. In the case of a 12 V vehicle electrical system, it is therefore particularly advantageous if the further energy store is designed to provide a voltage between 1.0 and 3.7 V, preferably between 1.5 and 3.0 V, during connection. It is particularly useful if it has a nominal capacity of at least 2500 Ås, preferably 3500 Ås. It is also particularly advantageous if the further energy store is designed such that, starting from a charged state in a respective configuration of the battery arrangement, its operating voltage after delivery of a charge of up to 2000 As, preferably up to 2700 As, without intermediate Reloading is reduced by a maximum of 1.0V. Advantageously, voltage drops can thus be compensated without renewed intermediate charging in the case of several switch-on events (for example three times switching on for 3 s each with an average current output of 300 A).
Es ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft, wenn der weitere Energiespeicher eine weitere Lithium-Ionen-Batterie ist. Dabei kann jene Lithium-Ionen-Batterie, deren negative Elektrode an eine positive Elektrode dieser weiteren Lithium-Ionen-Batterie und gegen das Massepotential umschaltbar ist, auch als erste Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet werden. Es wird dabei bevorzugt, wenn die weitere Lithium-Ionen-Batterie genau eine Lithium-Ionen-Zelle umfasst. Insbesondere bei 12-V-Bordnetzen wird das Vorsehen genau einer Lithium-Ionen-Zelle eine zweckmäßige Erhöhung der Spannung an der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie bewirken. Zweckmäßig ist eine solche Wahl auch insbesondere dann, wenn die Höhe der zu erwartenden Stromaufnahme eines Verbrauchers unbekannt ist. Vorteilhafterweise wird bei einem 12-V-Bordnetz so die Bordnetzspannung beim Zuschalten der weiteren Lithium-Ionen-Batterie um 1,0 bis 3,7 V, bevorzugt um 1,0 bis 3,0 V, erhöht, so dass eine Vielzahl von Lastfällen kompensiert werden können. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die weitere Lithium-Ionen-Batterie aus wenigstens einer Lithium-Titanat-Zelle gebildet ist. Solche aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Zellen weisen typischerweise eine Zellspannung von 2,2 V auf und eignen sich daher besonders für eine Verwendung im Rahmen der Batterieanordnung. Selbstverständlich kann auch die erstgenannte Lithium-Ionen-Batterie wenigstens eine Lithium-Titanat-Zelle umfassen.It is particularly advantageous in a motor vehicle according to the invention if the further energy store is a further lithium-ion battery. In this case, those lithium-ion battery, whose negative electrode is switchable to a positive electrode of this further lithium-ion battery and against the ground potential, also be referred to as the first lithium-ion battery. It is preferred if the further lithium-ion battery comprises exactly one lithium-ion cell. In particular, in the case of 12 V electrical systems, the provision of precisely one lithium-ion cell will cause a suitable increase in the voltage at the positive electrode of the lithium-ion battery. Such a choice is also expedient in particular if the level of the expected current consumption of a consumer is unknown. Advantageously, in a 12-volt vehicle electrical system, the on-board network voltage is thus increased by 1.0 to 3.7 V, preferably by 1.0 to 3.0 V, when the additional lithium-ion battery is connected, so that a large number of load cases can be compensated. Alternatively or additionally, it can be provided that the further lithium-ion battery is formed from at least one lithium titanate cell. Such prior art lithium ion cells typically have a cell voltage of 2.2V, and are therefore particularly suitable for use with the battery assembly. Of course, the former lithium-ion battery may include at least one lithium titanate cell.
Alternativ zu einer weiteren Lithium-Ionen-Batterie kann der weitere Energiespeicher vorteilhafterweise ein Superkondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator, ein Pseudokondensator oder ein aus solchen Kondensatoren gebildeter Hybridkondensator, sein. Solche Kondensatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Ladungsmengen speichern können. Im Falle eines 12-V-Bordnetztes ist es zweckmäßig, wenn der Superkondensator eine Nennspannung zwischen 1,5 und 3,0 V und/oder eine Kapazität von wenigstens 1000 F aufweist. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Kapazität wenigstens 2500 F beträgt, so dass mit einem voll aufgeladenen Superkondensator mehrfach hintereinander hohe Ströme (z. B. in der Größenordnung von 300 A) bei einer ausreichenden Spannung bereitgestellt werden können, ohne den Superkondensator erneut vollständig aufladen zu müssen. Beim Betrieb eines 24-V-Bordnetzes sind diese Werte selbstverständlich anzupassen.As an alternative to a further lithium-ion battery, the further energy store can advantageously be a supercapacitor, in particular a double-layer capacitor, a pseudo-capacitor or a hybrid capacitor formed from such capacitors. Such capacitors are characterized in that they can store large amounts of charge. In the case of a 12 V on-board network, it is expedient for the supercapacitor to have a rated voltage between 1.5 and 3.0 V and / or a capacity of at least 1000 F. It is particularly preferred if the capacitance is at least 2500 F, so that with a fully charged supercapacitor high currents (eg of the order of magnitude of 300 A) can be provided several times in succession at a sufficient voltage, without the supercapacitor again completely to have to recharge. When operating a 24 V vehicle electrical system, these values must of course be adapted.
Es ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug des Weiteren zweckmäßig, wenn ein Zuschaltereignis das Absinken wenigstens einer Temperatur, insbesondere der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs und/oder einer an einer der Batterien erfassten Temperatur, unter einen Temperaturschwellwert ist. Es wird dabei bevorzugt, wenn die Temperatur unmittelbar an der Lithium-Ionen-Batterie mittels eines Sensors erfasst wird, um durch Zuschalten des weiteren Energiespeichers unmittelbar auf die temperaturspezifischen Änderungen der Betriebsparameter reagieren zu können. Es wird ferner bevorzugt, wenn ein Temperaturschwellwert als Zuschaltereignis zusätzlich zu einem der bereits beschriebenen Zuschaltereignisse verwendet wird. So kann mit Vorteil das Verhalten der Batterieanordnung noch genauer an Umgebungsbedingungen angepasst werden.It is furthermore expedient in a motor vehicle according to the invention if a connection event is the drop in at least one temperature, in particular the ambient temperature of the motor vehicle and / or a temperature detected at one of the batteries, below a temperature threshold value. It is preferred in this case if the temperature is detected directly at the lithium-ion battery by means of a sensor in order to be able to react directly to the temperature-specific changes in the operating parameters by connecting the further energy store. It is further preferred if a temperature threshold value is used as a connection event in addition to one of the connection events already described. Thus, the behavior of the battery arrangement can be adapted even more accurately to ambient conditions with advantage.
Daneben ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Batterieanordnung wenigstens einen Gleichspannungswandler umfasst, welcher zur Bereitstellung einer Ladeleistung für die den weiteren Energiespeicher ausgebildet ist. Da der weitere Energiespeicher typischerweise eine niedrigere Betriebsspannung als die Lithium-Ionen-Batterie aufweist, ist der Gleichspannungswandler vorzusehen, um dem weiteren Energiespeicher eine Ladeleistung mit einer angepassten gewandelten Ladespannung zuzuführen. Zweckmäßigerweise ist der Gleichspannungswandler eingangsseitig mit der positiven Elektrode der Bleibatterie oder der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie verbunden, so dass er deren Spannung auf die erforderliche Ladespannung des weiteren Energiespeichers herabsetzen kann. Der Gleichspannungswandler kann dabei insbesondere eine Nennleistung zwischen 30 und 80 W, bevorzugt zwischen 45 und 55 W, aufweisen.In addition, it is advantageously provided in a motor vehicle according to the invention that the battery arrangement comprises at least one DC-DC converter, which is designed to provide a charging power for the further energy storage. Since the further energy store typically has a lower operating voltage than the lithium-ion battery, the DC-DC converter must be provided in order to supply the further energy store with a charging power with an adapted converted charging voltage. Conveniently, the DC-DC converter is the input side connected to the positive electrode of the lead-acid battery or the positive electrode of the lithium-ion battery, so that it can reduce their voltage to the required charging voltage of the other energy storage. The DC-DC converter can in particular have a rated power between 30 and 80 W, preferably between 45 and 55 W.
Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug von besonderem Vorteil, wenn die Batterieanordnung, insbesondere ihr Gleichspannungswandler, dazu ausgebildet ist, den weiteren Energiespeicher bei einer niedrigen Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie bis zu einer höheren Spannung aufzuladen als bei einer höheren Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie. Es wird mithin vorgeschlagen, die Spannung, bis zu welcher der weitere Energiespeicher aufgeladen wird, von der Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie abhängig zu machen. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn der weitere Energiespeicher ein Superkondensator ist. Da bei geringen Temperaturen der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie ansteigt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der zugeschaltete weitere Energiespeicher in einem solchen Fall auch eine höhere zusätzliche Spannung zur Kompensation bereitstellt. Dazu kann die Steuerungseinrichtung eine erfasste Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie auswerten und das Aufladen des weiteren Energiespeichers, insbesondere mittels des Gleichspannungswandlers, steuern.Furthermore, it is of particular advantage in the motor vehicle according to the invention if the battery arrangement, in particular its DC-DC converter, is designed to charge the further energy store at a low temperature of the lithium-ion battery up to a higher voltage than at a higher temperature of the lithium battery. ion battery. It is therefore proposed to make the voltage up to which the further energy storage is charged dependent on the temperature of the lithium-ion battery. It is particularly preferred if the further energy storage is a supercapacitor. Since at low temperatures, the internal resistance of the lithium-ion battery increases, it is particularly advantageous if the switched further energy storage in such a case also provides a higher additional voltage for compensation. For this purpose, the controller can evaluate a detected temperature of the lithium-ion battery and the Charging the other energy storage, in particular by means of the DC-DC converter, control.
Schließlich ist es bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft, wenn die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, die Lithium-Ionen-Batterie beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Trennereignissen galvanisch vom Massepotential zu trennen. Die Umschalteinrichtung weist dazu einen weiteren Schaltzustand auf, in welchem die Lithium-Ionen-Batterie vom Massepotential getrennt ist. Als Trennereignis kommt insbesondere eine für die Lithium-Ionen-Batterie unzulässige Über- und/oder Unterspannung in Betracht, welche zur dauerhaften Schädigung der Lithium-Ionen-Batterie führen kann. Vorteilhafterweise wird so eine üblicherweise ohnehin erforderliche Sicherheitsfunktionalität für die Lithium-Ionen-Batterie gleichzeitig durch die Umschalteinrichtung realisiert.Finally, in a motor vehicle according to the invention, it is particularly advantageous if the switching device is designed to galvanically separate the lithium-ion battery from the ground potential when at least one of one or more disconnection events occurs. The switching device has for this purpose a further switching state in which the lithium-ion battery is disconnected from the ground potential. As a separation event in particular for the lithium-ion battery inadmissible over and / or undervoltage is considered, which can lead to permanent damage to the lithium-ion battery. Advantageously, a safety functionality that is normally required anyway for the lithium-ion battery is simultaneously realized by the switching device.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batterieanordnung eine Bleibatterie, deren negative Elektrode mit einem Massepotential verbunden ist, und eine Lithium-Ionen-Batterie, deren positive Elektrode mit der positiven Elektrode der Bleibatterie verbunden und deren Leerlaufspannung im vollständig geladenen Zustand größer als die Ladespannung der Bleibatterie ist, umfasst und wenigstens ein Verbraucher des Kraftfahrzeugs an die Batterieanordnung angeschlossen ist, wobei die Batterieanordnung einen weiteren Energiespeicher, dessen negative Elektrode mit dem Massepotential verbunden ist, und eine Umschalteinrichtung umfasst, mittels derer die negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Zuschaltereignissen an die positive Elektrode des weiteren Energiespeichers und beim Eintreten wenigstens eines von einem oder mehreren Rückschaltereignissen gegen das Massepotential umgeschaltet wird.In addition, the invention relates to a method for operating a battery assembly of a motor vehicle, wherein the battery assembly is a lead-acid battery whose negative electrode is connected to a ground potential, and a lithium-ion battery whose positive electrode connected to the positive electrode of the lead-acid battery and whose open circuit voltage in fully charged state is greater than the charging voltage of the lead-acid battery, comprises and at least one consumer of the motor vehicle is connected to the battery assembly, the battery assembly comprises a further energy storage, the negative electrode is connected to the ground potential, and a switching device, by means of which the negative electrode the lithium-ion battery upon the occurrence of at least one of one or more Zuschaltereignissen to the positive electrode of the further energy storage and upon the occurrence of at least one of one or more switch-back events against the Massep otential is switched.
Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, so dass auch mit diesen die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.All embodiments of the motor vehicle according to the invention can be analogously transferred to the inventive method, so that even with these already mentioned advantages can be achieved.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and from the drawings. Showing:
Der Verbraucher
Die Batterieanordnung
Die Bleibatterie
Die Lithium-Ionen-Batterie
Der weitere Energiespeicher
Die Umschalteinrichtung
Der Gleichspannungswandler
In einem üblichen Betriebsfall ist der Schalter
Kommt es aus diesem Betriebsfall zu einem Zuschalten einer sehr hohen Last, hier exemplarisch eine Aktivierung des Turboladers
Der zeitliche Verlauf eines solchen Betriebsfalles ist in
Da der Strom
Alternativ oder zusätzlich zu den Spannungsschwellwerten
Das Schaltverhalten der Umschalteinrichtung
Dieser Betriebsfall ist in
Des Weiteren ist die Steuerungseinrichtung
Schließlich ist die Steuerungseinrichtung
Im Rahmen eines der
Dieser weist eine Kapazität von 2500 F und eine Nennspannung von 2,2 V auf, so dass die von ihm speicherbare Ladung rund 5500 As beträgt. Diese Ladung reicht dazu aus, beim Aktivieren eines Turboladers
Darüber hinaus ist ein Gleichspannungswandler
Die übrigen Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel lassen sich analog auf das zweite Ausführungsbeispiel übertragen.The remaining embodiments of the first embodiment can be analogously to the second embodiment.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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