DE102016219452A1 - Battery unit and method for operating a battery unit - Google Patents

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Matthias GERNSBECK
Michael Steil
Andreas Lemke
Jens Koerner
Frank Stiegler
Karl Kloess
Bernd Heppner
Manuel Hohenauer
Steffen Adolf
Klaus-Juergen Schuler
Henryk Weihs
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (10) zur Verwendung an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul (20) und einen Gleichspannungswandler (30), welcher einen mit dem Batteriemodul (20) verbundenen ersten Anschluss (31) und einen mit dem Bordnetz (50) verbindbaren zweiten Anschluss (32) aufweist. Der Gleichspannungswandler (30) gestattet dabei einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss (31) und dem zweiten Anschluss (32) sowie eine Regelung einer ersten Spannung (U1) an dem ersten Anschluss (31) und einer zweiten Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32). Die Batterieeinheit (10) umfasst auch ein Steuerungssystem (40) zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (30). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit (10) an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, wobei bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss (31) zu dem zweiten Anschluss (32) die zweite Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32) in Abhängigkeit von einem Zustand des Batteriemoduls (20) geregelt wird.The invention relates to a battery unit (10) for use on an electrical system (50) of a motor vehicle, comprising a battery module (20) and a DC - DC converter (30) having a first terminal (31) connected to the battery module (20) and one with the Vehicle electrical system (50) connectable second terminal (32). The DC-DC converter (30) allows a bidirectional current flow between the first terminal (31) and the second terminal (32) and a regulation of a first voltage (U1) at the first terminal (31) and a second voltage (U2) at the second Connection (32). The battery unit (10) also includes a control system (40) for driving the DC-DC converter (30). The invention further relates to a method for operating a battery unit (10) according to the invention on an on-board network (50) of a motor vehicle, wherein, in the case of a current flow from the first terminal (31) to the second terminal (32), the second voltage (U2) at the second terminal Terminal (32) in response to a state of the battery module (20) is controlled.

Figure DE102016219452A1_0001
Figure DE102016219452A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welche ein Batteriemodul und einen Gleichspannungswandler, welcher einen mit dem Batteriemodul verbundenen ersten Anschluss und einen mit dem Bordnetz verbindbaren zweiten Anschluss aufweist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a battery unit for use on a vehicle electrical system of a motor vehicle, which comprises a battery module and a DC-DC converter, which has a first terminal connected to the battery module and a second terminal connectable to the electrical system. The invention also relates to a method for operating a battery unit according to the invention on a vehicle electrical system of a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

In konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden in der Regel Blei-Säure-Batterien als Energiespeicher in einem 12V-Bordnetz eingesetzt. Eine solche Blei-Säure-Batterie, welche einen positiven Pol und einen negativen Pol aufweist, dient unter anderem als Starterbatterie zum Starten des Verbrennungsmotors. Das Bordnetz und dessen Funktionalitäten sind auf die Eigenschaften der Blei-Säure-Batterie, beispielsweise Innenwiderstand, Lade-Entladekennlinie sowie Leerlaufspannung, abgestimmt. In conventional motor vehicles with an internal combustion engine, lead-acid batteries are generally used as energy stores in a 12V vehicle electrical system. Such a lead-acid battery, which has a positive pole and a negative pole, serves inter alia as a starter battery for starting the internal combustion engine. The electrical system and its functionalities are tailored to the properties of the lead-acid battery, such as internal resistance, charge-discharge characteristic and open circuit voltage.

Wichtig ist hierbei eine korrekte Erkennung des Zustands der Blei-Säure-Batterie in dem Kraftfahrzeug. Der Zustand, insbesondere der Ladezustand, der Blei-Säure-Batterie wird von dem Kraftfahrzeug als Basis für Funktionen eines Energiemanagements genutzt und kann daher das Fahrzeugverhalten sowie die Verfügbarkeit bei einer fehlerhaften Erkennung massiv negativ beeinflussen. Auch sicherheitsrelevante Funktionalitäten des Kraftfahrzeugs können davon betroffen sein.Important here is a correct detection of the condition of the lead-acid battery in the motor vehicle. The state, in particular the state of charge, of the lead-acid battery is used by the motor vehicle as the basis for functions of an energy management and can therefore have a massive negative influence on the vehicle behavior as well as the availability in the case of incorrect detection. Safety-relevant functionalities of the motor vehicle can also be affected.

Typischerweise übernimmt ein Batteriesensor, welcher an die Blei-Säure Batterie angeschlossen ist, die Erkennung des Zustands der Blei-Säure-Batterie. Der Batteriesensor misst dabei unter anderem einen durch die Blei-Säure-Batterie fließenden Strom sowie eine an den Polen der Blei-Säure-Batterie anliegende Spannung und ermittelt daraus insbesondere den Ladezustand und die Alterung der Blei-Säure Batterie.Typically, a battery sensor connected to the lead acid battery will detect the condition of the lead acid battery. Among other things, the battery sensor measures a current flowing through the lead-acid battery as well as a voltage applied to the poles of the lead-acid battery and, in particular, determines the state of charge and the aging of the lead-acid battery.

Bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie ist es vorteilhaft, diese durch eine Lithium-Ionen-Batterie zu ersetzen. Eine Lithium-Ionen-Batterie zeigt jedoch aufgrund der unterschiedlichen Technologie ein anderes Verhalten als eine Blei-Säure-Batterie. Hierzu zählen unter anderem ein niedrigerer Innenwiderstand, eine andere Ruhespannunsgskennlinie und insbesondere ein anderer Zusammenhang zwischen Ladezustand und Ausgangsspannung. Beispielsweise wäre ein von dem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Batteriesensor ermittelter Ladezustand somit fehlerhaft.In case of failure of a lead-acid battery, it is advantageous to replace it with a lithium-ion battery. However, a lithium-ion battery behaves differently than a lead-acid battery due to the different technology. These include, inter alia, a lower internal resistance, another quiescent voltage characteristic and, in particular, a different relationship between the state of charge and the output voltage. For example, a state of charge determined by the battery sensor present in the motor vehicle would thus be faulty.

Eine Lithium-Ionen-Batterie müsste demnach bei einem Austausch nicht nur die konventionelle Blei-Säure-Batterie sondern auch den Batteriesensor und dessen Funktionalität ersetzen. Aufgrund einer hohen Variantenanzahl der am Markt befindlichen Kraftfahrzeuge, sowie Blei-Säure-Batterien und Batteriesensoren scheint dies nicht praktikabel. Therefore, replacing a lithium-ion battery would not only replace the conventional lead-acid battery but also the battery sensor and its functionality. Due to a high number of variants of the motor vehicles on the market, as well as lead-acid batteries and battery sensors, this does not seem feasible.

Es ist wünschenswert, insbesondere bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie in einem Kraftfahrzeug diese durch eine Lithium-Ionen-Batterie zu ersetzen. Dabei sollte der bereits in dem Kraftfahrzeug vorhandene Batteriesensor auch weiter verwendet werden.It is desirable, in particular in case of failure of a lead-acid battery in a motor vehicle to replace these with a lithium-ion battery. In this case, the already existing in the motor vehicle battery sensor should continue to be used.

Aus der US 2015/0037616 A1 ist ein Lithium-Ionen-Batteriemodul bekannt, welches ein Gehäuse aufweist, dessen Abmessungen denen eines Gehäuses einer konventionellen Blei-Säure-Batterie entsprechen. Das Lithium-Ionen-Batteriemodul umfasst dabei auch einen oder mehrere Gleichspannungswandler, wodurch mehrere verschiedene Ausgangsspannungen an verschiedenen Polen des Lithium-Ionen-Batteriemoduls verfügbar sind.From the US 2015/0037616 A1 a lithium-ion battery module is known, which has a housing whose dimensions correspond to those of a housing of a conventional lead-acid battery. The lithium-ion battery module also includes one or more DC-DC converters, whereby several different output voltages are available at different poles of the lithium-ion battery module.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit umfasst ein Batteriemodul und einen Gleichspannungswandler, welcher einen mit dem Batteriemodul verbundenen ersten Anschluss und einen mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbindbaren zweiten Anschluss aufweist. Die Batterieeinheit dient insbesondere zum Ersatz einer ausgefallenen Blei-Säure Batterie als Starterbatterie für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs.It is proposed a battery unit for use on a vehicle electrical system of a motor vehicle. The battery unit comprises a battery module and a DC-DC converter which has a first terminal connected to the battery module and a second terminal connectable to the electrical system of the motor vehicle. The battery unit is used in particular to replace a failed lead-acid battery as a starter battery for an internal combustion engine of the motor vehicle.

Erfindungsgemäß gestattet der Gleichspannungswandler der Batterieeinheit dabei einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss sowie eine Regelung einer ersten Spannung an dem ersten Anschluss und einer zweiten Spannung an dem zweiten Anschluss. Der besagte Gleichspannungswandler ist dazu beispielsweise als Split-Pi-Wandler ausgeführt, welcher mehrere elektronische Schalter aufweist. Durch entsprechende Ansteuerung der Schalter des Gleichspannungswandlers sind die Spannungen an den Anschlüssen des Gleichspannungswandlers regelbar.According to the invention, the DC-DC converter of the battery unit allows a bidirectional current flow between the first terminal and the second terminal and a regulation of a first voltage at the first terminal and a second voltage at the second terminal. The said DC-DC converter is designed for this purpose, for example, as a split-Pi converter having a plurality of electronic switches. By appropriate control of the switch of the DC-DC converter, the voltages at the terminals of the DC-DC converter can be controlled.

Ferner umfasst die Batterieeinheit erfindungsgemäß ein Steuerungssystem zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers. Insbesondere dient das Steuerungssystem zur Ansteuerung der Schalter des als Split-Pi-Wandler ausgeführten Gleichspannungswandlers.Furthermore, the battery unit according to the invention comprises a control system for controlling the DC-DC converter. In particular, the control system is used to control the switches of the designed as a split-pi converter DC-DC converter.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul der Batterieeinheit mehrere Batteriezellen auf, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Lithium-Ionen-Zellen weisen im Vergleich zu Zellen von Blei-Säure Batterien insbesondere eine verlängerte Lebensdauer, eine verbesserte Zyklenfestigkeit, eine höhere Energiedichte und auch eine höhere Leistungsdichte auf.According to an advantageous embodiment of the invention, the battery module of the battery unit on a plurality of battery cells, which as lithium-ion Cells are executed. In particular, lithium-ion cells have a longer life, improved cycle life, higher energy density, and higher power density compared to lead-acid battery cells.

Die Art der Batteriezellen ist nicht auf Lithium-Ionen Zellen limitiert. Grundsätzlich sind alle Arten von Sekundärzellen geeignet, welche ein anderes, insbesondere verbessertes Verhalten als Blei-Säure-Batteriezellen aufweisen. Beispielsweise eignen sich Lithium-Schwefel-Zellen, Lithium-Luft-Zellen, Superkondensatoren (Supercaps, SC), Lithium-Kondensatoren sowie Batteriezellen mit Festkörperelektrolyten.The type of battery cells is not limited to lithium-ion cells. Basically, all types of secondary cells are suitable, which have a different, in particular improved behavior as lead-acid battery cells. For example, lithium-sulfur cells, lithium-air cells, supercapacitors (supercaps, SC), lithium capacitors and solid state electrolyte battery cells are suitable.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterieeinheit einen Umgehungsschalter auf, mittels welchem der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Gleichspannungswandlers direkt verbindbar sind. Beispielsweise im Fall eines Defekts des Gleichspannungswandlers oder im Falle eines verhältnismäßig hohen Stroms kann der Gleichspannungswandler durch Schließen des Umgehungsschalters überbrückt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the battery unit has a bypass switch, by means of which the first terminal and the second terminal of the DC-DC converter are directly connectable. For example, in the case of a defect of the DC-DC converter or in the case of a relatively high current, the DC-DC converter can be bridged by closing the bypass switch.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterieeinheit einen Gleichrichter auf. Der Gleichrichter dient dabei als Ladegerät und gestattet ein Aufladen des Batteriemoduls aus einem Wechselstromnetz. Der Gleichrichter kann beispielsweise einphasig oder auch dreiphasig ausgeführt sein und somit ein Aufladen des Batteriemoduls aus einem dreiphasigen Drehstromnetz gestatten.According to an advantageous development of the invention, the battery unit has a rectifier. The rectifier serves as a charger and allows charging of the battery module from an AC mains. The rectifier can be designed, for example, single-phase or three-phase and thus allow a charging of the battery module from a three-phase AC network.

Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit ist dabei in das Kraftfahrzeug eingebaut, und der zweite Anschluss des Gleichspannungswandlers der Batterieeinheit ist mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden.A method for operating a battery unit according to the invention on a vehicle electrical system of a motor vehicle is also proposed. The battery unit is installed in the motor vehicle, and the second terminal of the DC-DC converter of the battery unit is connected to the electrical system of the motor vehicle.

Erfindungsgemäß wird bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers zu dem zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss in Abhängigkeit von einem Zustand des Batteriemoduls geregelt. In diesem Fall fließt also ein Strom von dem Batteriemodul durch den Gleichspannungswandler zu dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und das Batteriemodul wird entladen.According to the invention, in the case of a current flow from the first terminal of the DC-DC converter to the second terminal of the DC-DC converter, the second voltage is regulated at the second terminal as a function of a state of the battery module. In this case, therefore, a current flows from the battery module through the DC-DC converter to the electrical system of the motor vehicle and the battery module is discharged.

Der Zustand des Batteriemoduls ist dabei insbesondere von dem Ladezustand (state of charge, SOC) abhängig. Der Zustand des Batteriemoduls kann auch von weiteren Größen abhängig sein, unter anderem von der Leerlaufspannung (open circuit voltage, OCV) oder dem Strom. The state of the battery module is dependent in particular on the state of charge (SOC). The state of the battery module can also be dependent on other variables, including the open circuit voltage (OCV) or the current.

Der Zustand des Batteriemoduls wird dabei vorzugsweise von dem Steuerungssystem der Batterieeinheit ermittelt, welches auch zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers vorgesehen ist. Das Steuerungssystem ist dazu beispielsweise mittels entsprechender Sensoren mit dem Batteriemodul verbunden.The state of the battery module is preferably determined by the control system of the battery unit, which is also provided for driving the DC-DC converter. The control system is, for example, connected by means of corresponding sensors to the battery module.

Vorzugsweise wird verfahrensvorbereitend ein Zusammenhang zwischen einem Zustand einer Blei-Säure-Batterie und einer Ausgangsspannung der Blei-Säure-Batterie aufgenommen. Bevorzugt wird der besagte Zusammenhang zwischen dem Zustand und der Ausgangsspannung der Blei-Säure-Batterie in dem Steuerungssystem der Batterieeinheit abgelegt. Preferably, a relationship between a state of a lead-acid battery and an output voltage of the lead-acid battery is recorded. Preferably, said relationship between the state and the output voltage of the lead-acid battery is stored in the control system of the battery unit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers zu dem zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss derart geregelt, dass die zweite Spannung der Ausgangsspannung der konventionellen Blei-Säure-Batterie bei gleichem Zustand entspricht.According to an advantageous embodiment of the method, in the case of a current flow from the first terminal of the DC-DC converter to the second terminal of the DC-DC converter, the second voltage is regulated at the second terminal such that the second voltage corresponds to the output voltage of the conventional lead-acid battery in the same state.

In diesem Fall fließt, wie bereits erwähnt, ein Strom von dem Batteriemodul durch den Gleichspannungswandler zu dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und das Batteriemodul wird entladen. Das Batteriemodul weist dabei einen bestimmten Zustand auf. Die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers sowie an dem Bordnetz entspricht dabei der Ausgangsspannung, welche die Blei-Säure-Batterie bei dem gleichen Zustand hätte.In this case, as already mentioned, a current flows from the battery module through the DC-DC converter to the electrical system of the motor vehicle and the battery module is discharged. The battery module has a certain state. The second voltage at the second terminal of the DC-DC converter and to the vehicle electrical system corresponds to the output voltage, which would have the lead-acid battery in the same state.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einem Stromfluss von dem zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers zu dem ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers die erste Spannung an dem ersten Anschluss in Abhängigkeit von dem Zustand des Batteriemoduls geregelt. In diesem Fall fließt also ein Strom von dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs durch den Gleichspannungswandler zu dem Batteriemodul und das Batteriemodul wird geladen.According to a further advantageous embodiment of the method, in the case of a current flow from the second terminal of the DC-DC converter to the first terminal of the DC-DC converter, the first voltage at the first terminal is regulated as a function of the state of the battery module. In this case, therefore, a current flows from the electrical system of the motor vehicle through the DC-DC converter to the battery module and the battery module is charged.

Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren finden vorteilhaft Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und insbesondere zum Ersatz einer konventionellen Blei-Säure-Batterie. Aber auch andere Verwendungen, beispielsweise an Bordnetzen anderer Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Hybrid-Fahrzeugen, Plugin-Hybridfahrzeugen sowie Elektrofahrzeugen sind denkbar.A battery unit according to the invention and a method according to the invention are advantageously used on a vehicle electrical system of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle with an internal combustion engine and in particular for replacement of a conventional lead-acid battery. But other uses, for example, on electrical systems other motor vehicles such as hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles and electric vehicles are conceivable.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die Erfindung ermöglicht einen Austausch einer konventionellen 12V Blei-Säure-Batterie durch eine 12V Lithium-Ionen-Batterie bei Sicherstellung aller Funktionalitäten, insbesondere des Energiemanagements, in dem Kraftfahrzeug. Der Gleichspannungswandler ermöglicht dabei den Einsatz einer Lithium-Ionen-Batterie in Kraftfahrzeugen, die auf die Eigenschaften einer Blei-Säure-Batterie abgestimmt sind. Ein in dem Kraftfahrzeug vorhandener Batteriesensor kann beibehalten werden. Durch die entsprechende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers wird sichergestellt, dass das Verhalten der Lithium-Ionen-Batterie an den Polklemmen dem Verhalten einer Blei-Säure Batterie entspricht. Hiermit ist sichergestellt, dass die Batteriezustandserkennung des Kraftfahrzeugs korrekt funktioniert und die Funktionalitäten im Kraftfahrzeug erhalten bleiben.The invention allows a replacement of a conventional 12V lead-acid battery by a 12V lithium-ion battery while ensuring all functionalities, in particular the energy management, in the motor vehicle. The DC-DC converter allows the use of a lithium-ion battery in motor vehicles, which are tuned to the properties of a lead-acid battery. A battery sensor provided in the motor vehicle can be maintained. The corresponding control of the DC-DC converter ensures that the behavior of the lithium-ion battery at the pole terminals corresponds to the behavior of a lead-acid battery. This ensures that the battery condition detection of the motor vehicle works correctly and the functionalities in the motor vehicle are maintained.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen Batterien wird typischerweise ein Trennelement in Form eines Schützes oder eines Halbleiterbausteins verwendet um die Eigensicherheit der Batterie zu gewährleisten. In einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit kann der Gleichspannungswandler die Funktion des Trennelements mit übernehmen. Dadurch ergeben sich Vorteile durch Reduktion von Kosten, Gewicht sowie Komplexität der Batterieeinheit. Dadurch werden auch die Sicherheit sowie die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Batterieeinheit erhöht.In known from the prior art lithium-ion batteries typically a separator in the form of a contactor or a semiconductor device is used to ensure the intrinsic safety of the battery. In a battery unit according to the invention, the DC-DC converter can take over the function of the separating element. This results in advantages by reducing costs, weight and complexity of the battery unit. As a result, the safety and reliability of the battery unit according to the invention are increased.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:Show it:

1 eine Batterieeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, 1 a battery unit according to a first embodiment of an electrical system of a motor vehicle,

2 eine Batterieeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, 2 a battery unit according to a second embodiment of an electrical system of a motor vehicle,

3 eine Batterieeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, 3 a battery unit according to a third embodiment of an electrical system of a motor vehicle,

4 eine Batterieeinheit gemäß einer vierten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, 4 a battery unit according to a fourth embodiment of an electrical system of a motor vehicle,

5 eine Batterieeinheit gemäß einer fünften Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und 5 a battery unit according to a fifth embodiment of an electrical system of a motor vehicle and

6 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs von Ladezustand zu Spannung. 6 a graphical representation of a relationship between state of charge to voltage.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Als Bordnetz 50 werden in diesem Zusammenhang die spannungsführenden Versorgungsleitungen in dem Kraftfahrzeug bezeichnet. Das Bordnetz 50 weist vorliegend eine Nominalspannung von 12 V gegenüber einer Masseleitung 55 in dem Kraftfahrzeug auf. 1 shows a battery unit 10 according to a first embodiment of an electrical system 50 of a motor vehicle. As electrical system 50 are referred to in this context, the voltage-carrying supply lines in the motor vehicle. The electrical system 50 in the present case has a nominal voltage of 12 V with respect to a ground line 55 in the vehicle.

Die Batterieeinheit 10 umfasst einen positiven Pol 12, welcher mit dem Bordnetz 50 verbunden ist. Die Batterieeinheit 10 umfasst auch einen negativen Pol 11, welcher mit einem Batteriesensor 52 verbunden ist. Der Batteriesensor 52 ist mit dem Bordnetz 50 und mit der Masseleitung 55 verbunden. Ferner ist der Batteriesensor 52 mittels einer Busschnittstelle 53 mit einem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeugs verbunden.The battery unit 10 includes a positive pole 12 , which with the electrical system 50 connected is. The battery unit 10 also includes a negative pole 11 , which with a battery sensor 52 connected is. The battery sensor 52 is with the electrical system 50 and with the ground line 55 connected. Further, the battery sensor 52 by means of a bus interface 53 connected to a higher-level control unit of the vehicle.

Der Batteriesensor 52 misst unter anderem eine zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 anliegende Spannung, welche einer Spannung zwischen dem Bordnetz 50 und der Masseleitung 55 entspricht. Auch misst der Batteriesensor 52 einen von der Masseleitung 55 zu dem negativen Pol 11 fließenden Strom, welcher einem Strom durch die Batterieeinheit 10 entspricht. The battery sensor 52 inter alia measures one between the positive pole 12 and the negative pole 11 the battery unit 10 applied voltage, which is a voltage between the electrical system 50 and the ground line 55 equivalent. Also measures the battery sensor 52 one from the ground line 55 to the negative pole 11 flowing current, which is a current through the battery unit 10 equivalent.

Aus der gemessenen Spannung zwischen den Polen 11, 12 der Batterieeinheit 10 und aus dem gemessenen Strom durch die Batterieeinheit 10 ermittelt der Batteriesensor 52 eine Zustand, insbesondere einen Ladezustand, des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10. Der Batteriesensor 52 überträgt den ermittelten Zustand des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10 zu dem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeugs.From the measured voltage between the poles 11 . 12 the battery unit 10 and from the measured current through the battery pack 10 the battery sensor determines 52 a state, in particular a state of charge, of the battery module 20 the battery unit 10 , The battery sensor 52 transmits the determined state of the battery module 20 the battery unit 10 to the higher-level control unit of the vehicle.

Die Batterieeinheit 10 umfasst ein Batteriemodul 20, welches mehrere Batteriezellen aufweist, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Die Batteriezellen sind beispielsweise in Serie geschaltet und liefern eine Nominalspannung von 12 V. Das Batteriemodul 20 weist ein negatives Terminal 21 und ein positives Terminal 22 auf. Zwischen den Terminals 21, 22 des Batteriemoduls 20 liegt die von den besagten Batteriezellen gelieferte Spannung an.The battery unit 10 includes a battery module 20 , which has a plurality of battery cells, which are designed as lithium-ion cells. The battery cells are connected in series, for example, and deliver a nominal voltage of 12 V. The battery module 20 has a negative terminal 21 and a positive terminal 22 on. Between terminals 21 . 22 of the battery module 20 is the voltage supplied by said battery cells voltage.

Die Batterieeinheit 10 umfasst ferner einen Gleichspannungswandler 30. Der Gleichspannungswandler 30 weist einen ersten Anschluss 31 auf, der mit dem positiven Terminal 22 des Batteriemoduls 20 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 30 weist auch einen zweiten Anschluss 32 auf, der mit dem positiven Pol 12 der Batterieeinheit 10 verbunden ist. Ferner weist der Gleichspannungswandler 30 einen Masseanschluss 33 auf, der mit dem negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 verbunden ist.The battery unit 10 further includes a DC-DC converter 30 , The DC-DC converter 30 has a first connection 31 up, with the positive terminal 22 of the battery module 20 connected is. The DC-DC converter 30 also has a second port 32 on that with the positive pole 12 the battery unit 10 connected is. Furthermore, the DC-DC converter 30 a ground connection 33 up, with the negative pole 11 the battery unit 10 connected is.

Der Gleichspannungswandler 30 ist vorliegend als Split-Pi-Wandler ausgeführt, welcher mehrere hier nicht dargestellte elektronische Schalter aufweist. Der Gleichspannungswandler 30 gestattet einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32. Auch gestattet der Gleichspannungswandler 30 eine Regelung einer ersten Spannung U1 zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem Masseanschluss 33, sowie eine Regelung einer zweiten Spannung U2 zwischen dem zweiten Anschluss 32 und dem Masseanschluss 33. The DC-DC converter 30 is presently designed as a split-Pi converter, which has a plurality of electronic switches, not shown here. The DC-DC converter 30 allows bidirectional flow of current between the first port 31 and the second port 32 , Also allows the DC-DC converter 30 a regulation of a first voltage U1 between the first terminal 31 and the ground connection 33 , as well as a regulation of a second voltage U2 between the second terminal 32 and the ground connection 33 ,

Die erste Spannung U1 und die zweite Spannung U2 des Gleichspannungswandlers 30 sind durch entsprechende Ansteuerung der Schalter des Gleichspannungswandlers 30 regelbar. Die Batterieeinheit 10 umfasst daher ein Steuerungssystem 40, welches insbesondere zur Ansteuerung der Schalter des Gleichspannungswandlers 30 dient. Das Steuerungssystem 40 und der Gleichspannungswandler 30 sind beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Busleitung miteinander verbunden.The first voltage U1 and the second voltage U2 of the DC-DC converter 30 are by appropriate control of the switch of the DC-DC converter 30 adjustable. The battery unit 10 therefore includes a control system 40 , which in particular for driving the switches of the DC-DC converter 30 serves. The control system 40 and the DC-DC converter 30 are connected to each other for example via a bus line, not shown here.

Das Batteriemodul 20, der Gleichspannungswandler 30 und das Steuerungssystem 40 der Batterieeinheit 10 sind vorliegend als separate Elemente ausgeführt und als bauliche Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.The battery module 20 , the DC-DC converter 30 and the control system 40 the battery unit 10 are presently designed as separate elements and arranged as a structural unit in a common housing.

2 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der zweiten Ausführungsform gleicht weitgehend der in 1 gezeigten Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen. 2 shows a battery unit 10 according to a second embodiment of an electrical system 50 of a motor vehicle. The battery unit 10 According to the second embodiment is similar to the in 1 shown battery unit 10 according to the first embodiment. In the following we only discussed differences.

Das Batteriemodul 20 und das Steuerungssystem 40 der Batterieeinheit 10 sind vorliegend als separate Elemente ausgeführt und als bauliche Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Der Gleichspannungswandler 30 der Batterieeinheit 10 ist in einem separaten Gehäuse angeordnet und somit baulich von dem Batteriemodul 20 und dem Steuerungssystem 40 getrennt.The battery module 20 and the control system 40 the battery unit 10 are presently designed as separate elements and arranged as a structural unit in a common housing. The DC-DC converter 30 the battery unit 10 is arranged in a separate housing and thus structurally of the battery module 20 and the control system 40 separated.

3 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer dritten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform gleicht weitgehend der in 1 gezeigten Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen. 3 shows a battery unit 10 according to a third embodiment of an electrical system 50 of a motor vehicle. The battery unit 10 according to the third embodiment is similar to the in 1 shown battery unit 10 according to the first embodiment. In the following we only discussed differences.

Der Gleichspannungswandler 30 und das Steuerungssystem 40 der Batterieeinheit 10 sind vorliegend integriert und bilden ein gemeinsames Element. Das Batteriemodul 20 ist als davon separates Element ausgeführt. Das Batteriemodul 20, der Gleichspannungswandler 30 und das Steuerungssystem 40 sind als bauliche Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.The DC-DC converter 30 and the control system 40 the battery unit 10 are integrated here and form a common element. The battery module 20 is executed as a separate element. The battery module 20 , the DC-DC converter 30 and the control system 40 are arranged as a structural unit in a common housing.

4 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer vierten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der vierten Ausführungsform gleicht weitgehend der in 3 gezeigten Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen. 4 shows a battery unit 10 according to a fourth embodiment of an electrical system 50 of a motor vehicle. The battery unit 10 according to the fourth embodiment is similar to the in 3 shown battery unit 10 according to the third embodiment. In the following we only discussed differences.

Die Batterieeinheit 10 weist zusätzlich einen Umgehungsschalter 45 auf, welcher zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32 des Gleichspannungswandlers 30 angeordnet ist. Mittels des Umgehungsschalters 45 sind der erste Anschluss 31 und der zweiten Anschluss 32 direkt verbindbar.The battery unit 10 additionally has a bypass switch 45 on which between the first port 31 and the second port 32 of the DC-DC converter 30 is arranged. By means of the bypass switch 45 are the first connection 31 and the second port 32 directly connectable.

5 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer fünften Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der fünften Ausführungsform gleicht weitgehend der in 3 gezeigten Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen. 5 shows a battery unit 10 according to a fifth embodiment of a vehicle electrical system 50 of a motor vehicle. The battery unit 10 according to the fifth embodiment is similar to the in 3 shown battery unit 10 according to the third embodiment. In the following we only discussed differences.

Die Batterieeinheit 10 weist zusätzlich einen Gleichrichter 35 auf, welcher in den Gleichspannungswandler 30 integriert ist. Der Gleichrichter 35 dient als Ladegerät für die Batterieeinheit 10 und gestattet ein Aufladen des Batteriemoduls 20 aus einem Wechselstromnetz. Vorliegend ist der Gleichrichter 35 dreiphasig ausgeführt und gestattet somit ein Aufladen des Batteriemoduls 20 aus einem dreiphasigen Drehstromnetz. Der Gleichrichter 35 kann alternativ auch einphasig ausgeführt sein und Aufladen des Batteriemoduls 20 aus einem einphasigen Wechselstromnetz gestatten.The battery unit 10 also has a rectifier 35 on which in the DC-DC converter 30 is integrated. The rectifier 35 serves as a charger for the battery unit 10 and allows charging of the battery module 20 from an AC mains. The present is the rectifier 35 three-phase and thus allows charging of the battery module 20 from a three-phase three-phase network. The rectifier 35 Alternatively, it can also be single-phase and charge the battery module 20 from a single-phase AC network.

6 zeigt eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs des Ladezustands des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10 zu den Spannungen des Gleichspannungswandlers 30. Auf der Abszisse ist dabei der Ladezustand des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10 in Prozent angegeben. Auf der Ordinate ist die Spannung in Volt angegeben. 6 shows a graphical representation of a relationship of the state of charge of the battery module 20 the battery unit 10 to the voltages of the DC-DC converter 30 , On the abscissa is the state of charge of the battery module 20 the battery unit 10 in percent. The ordinate indicates the voltage in volts.

Die eine dargestellte Kurve zeigt die Abhängigkeit der ersten Spannung U1, welche zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem Masseanschluss 33 des Gleichspannungswandlers 30 anliegt, von dem Ladezustand des Batteriemoduls 20. Die erste Spannung U1 entspricht dabei der Spannung des Batteriemoduls 20, welche zwischen dem positiven Terminal 22 und dem negativen Terminal 21 anliegt.The one curve shown shows the dependence of the first voltage U1, which between the first terminal 31 and the ground connection 33 of the DC-DC converter 30 is applied, the state of charge of the battery module 20 , The first voltage U1 corresponds to the voltage of the battery module 20 which is between the positive terminal 22 and the negative terminal 21 is applied.

Die andere dargestellte Kurve zeigt die Abhängigkeit der zweiten Spannung U2, welche zwischen dem zweiten Anschluss 32 und dem Masseanschluss 33 des Gleichspannungswandlers 30 anliegt, von dem Ladezustand des Batteriemoduls 20. Die zweite Spannung U2 entspricht dabei einer Spannung, welche zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 anliegt. Die zweite Spannung U2 entspricht auch einer Ausgangsspannung UA einer konventionellen Blei-Säure-Batterie in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Blei-Säure-Batterie.The other curve shown shows the dependence of the second voltage U2, which between the second terminal 32 and the ground connection 33 of the DC-DC converter 30 is applied, the state of charge of the battery module 20 , The second voltage U2 corresponds to a voltage which is between the positive pole 12 and the negative pole 11 the battery unit 10 is applied. The second voltage U2 also corresponds to an output voltage UA of a conventional lead-acid battery as a function of the state of charge of the lead-acid battery.

Bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss 31 zu dem zweiten Anschluss 32 des Gleichspannungswandlers 30, wenn das Batteriemodul 20 also entladen wird, wird die zweite Spannung U2 gemäß der dargestellten Kurve geregelt.At a current flow from the first port 31 to the second port 32 of the DC-DC converter 30 if the battery module 20 is discharged, the second voltage U2 is controlled according to the illustrated curve.

Bei einem Stromfluss von dem zweiten Anschluss 32 zu dem ersten Anschluss 31 des Gleichspannungswandlers 30, wenn das Batteriemodul 20 also geladen wird, wird die erste Spannung U1 gemäß der dargestellten Kurve geregelt.At a current flow from the second port 32 to the first port 31 of the DC-DC converter 30 if the battery module 20 is loaded, the first voltage U1 is controlled according to the curve shown.

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. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Batterieeinheit (10) zur Verwendung an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul (20) und einen Gleichspannungswandler (30), welcher einen mit dem Batteriemodul (20) verbundenen ersten Anschluss (31) und einen mit dem Bordnetz (50) verbindbaren zweiten Anschluss (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (30) einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss (31) und dem zweiten Anschluss (32) sowie eine Regelung einer ersten Spannung (U1) an dem ersten Anschluss (31) und einer zweiten Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32) gestattet, wobei die Batterieeinheit (10) ferner ein Steuerungssystem (40) zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (30) umfasst.Battery unit ( 10 ) for use on a vehicle electrical system ( 50 ) of a motor vehicle, comprising a battery module ( 20 ) and a DC-DC converter ( 30 ), which one with the battery module ( 20 ) connected first connection ( 31 ) and one with the electrical system ( 50 ) connectable second port ( 32 ), characterized in that the DC-DC converter ( 30 ) a bidirectional current flow between the first terminal ( 31 ) and the second connection ( 32 ) and a regulation of a first voltage (U1) at the first terminal ( 31 ) and a second voltage (U2) at the second terminal ( 32 ), the battery unit ( 10 ) a control system ( 40 ) for driving the DC-DC converter ( 30 ). Batterieeinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (20) mehrere Batteriezellen aufweist, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind.Battery unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the battery module ( 20 ) has a plurality of battery cells, which are designed as lithium-ion cells. Batterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (10) einen Umgehungsschalter (45) aufweist, mittels welchem der erste Anschluss (31) und der zweiten Anschluss (32) direkt verbindbar sind.Battery unit ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the battery unit ( 10 ) a bypass switch ( 45 ), by means of which the first connection ( 31 ) and the second connection ( 32 ) are directly connectable. Batterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (10) einen Gleichrichter (35) aufweist. Battery unit ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the battery unit ( 10 ) a rectifier ( 35 ) having. Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss (31) zu dem zweiten Anschluss (32) die zweite Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32) in Abhängigkeit von einem Zustand des Batteriemoduls (20) geregelt wird.Method for operating a battery unit ( 10 ) according to one of the preceding claims on a vehicle electrical system ( 50 ) of a motor vehicle, characterized in that at a current flow from the first terminal ( 31 ) to the second port ( 32 ) the second voltage (U2) at the second terminal ( 32 ) depending on a state of the battery module ( 20 ) is regulated. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Batteriemoduls (20) von dem Steuerungssystem (40) ermittelt wird.Method according to Claim 5, characterized in that the state of the battery module ( 20 ) of the control system ( 40 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass verfahrensvorbereitend ein Zusammenhang zwischen einem Zustand und einer Ausgangsspannung (UA) einer Blei-Säure-Batterie aufgenommen wird.Method according to one of Claims 5 to 6, characterized in that a relationship between a state and an output voltage (UA) of a lead-acid battery is recorded in the method-preparing manner. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss (31) zu dem zweiten Anschluss (32) die zweite Spannung (U2) derart geregelt wird, dass die zweite Spannung (U2) der Ausgangsspannung (UA) der Blei-Säure-Batterie bei gleichem Zustand entspricht.A method according to claim 7, characterized in that at a current flow from the first terminal ( 31 ) to the second port ( 32 ) the second voltage (U2) is regulated such that the second voltage (U2) corresponds to the output voltage (UA) of the lead-acid battery in the same state. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stromfluss von dem zweiten Anschluss (32) zu dem ersten Anschluss (31) die erste Spannung (U1) an dem ersten Anschluss (31) in Abhängigkeit von dem Zustand des Batteriemoduls (20) geregelt wird.Method according to one of claims 5 to 8, characterized in that at a current flow from the second terminal ( 32 ) to the first port ( 31 ) the first voltage (U1) at the first terminal (U1) 31 ) depending on the state of the battery module ( 20 ) is regulated. Verwendung einer Batterieeinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 9 an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.Use of a battery unit ( 10 ) according to one of claims 1 to 4 and / or the method according to one of claims 5 to 9 on a vehicle electrical system ( 50 ) of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle with internal combustion engine.
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