-
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul und ein Steuerelement, welches mit einem Batteriesensor verbindbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem, welches eine erfindungsgemäße Batterieeinheit und einen Batteriesensor umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
-
Stand der Technik
-
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.
-
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.
-
Typischerweise übernimmt ein Batteriesensor, welcher an den negativen Pol und an den positiven Pol der 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. Aus den gemessenen Werten ermittelt der Batteriesensor insbesondere den Ladezustand und die Alterung der Blei-Säure Batterie.
-
Bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie kann es vorteilhaft sein, diese durch eine Lithium-Ionen-Batterie zu ersetzen. Eine Lithium-Ionen-Batterie weist jedoch aufgrund der unterschiedlichen Technologie andere Eigenschaften auf als eine Blei-Säure-Batterie. Hierzu zählen unter anderem ein niedrigerer Innenwiderstand und insbesondere ein anderer Zusammenhang zwischen Ladezustand und Ausgangsspannung. Beispielsweise wäre ein von dem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Batteriesensor ermittelter Ladezustand somit fehlerhaft.
-
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-Batterie und Batteriesensoren scheint dies nicht praktikabel.
-
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.
-
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.
-
Aus der
US 2015/0293180 A1 ist eine Batterie bekannt, welche ein Lithium-Ionen-Batteriemodul und ein Blei-Säure-Batteriemodul umfasst. Die Batterie umfasst auch einen Batteriesensor, welcher den Zustand des Lithium-Ionen-Batteriemoduls und des Blei-Säure-Batteriemoduls ermittelt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit umfasst ein Batteriemodul und ein Steuerelement, welches mit einem Batteriesensor verbindbar ist. Die Batterieeinheit dient dabei insbesondere zum Ersatz einer ausgefallenen Blei-Säure Batterie als Starterbatterie für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs.
-
Erfindungsgemäß ist das Steuerelement mit einem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden. Dabei umfasst das Steuerelement einen Gleichspannungswandler, welcher in Abhängigkeit von einer ersten Spannung an dem positiven Pol der Batterieeinheit eine zweite Spannung zur Versorgung des Batteriesensors generiert.
-
Der Gleichspannungswandler generiert insbesondere keine konstante zweite Spannung, die von der ersten Spannung unabhängig wäre. Die zweite Spannung, die an dem Batteriesensor anliegt, ist von der ersten Spannung an dem positiven Pol der Batterieeinheit abhängig. Der Gleichspannungswandler ist daher in der Lage, eine variable zweite Spannung zu generieren, welche von der ersten Spannung abhängig ist. Die Abhängigkeit der zweiten Spannung von der ersten Spannung ist in der Regel nicht linear.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement in einem Gehäuse angeordnet, in welchem auch das Batteriemodul angeordnet ist. Somit benötigt das Steuerelement keinen zusätzlichen Bauraum und ist vor mechanischen Einflüssen geschützt.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement außerhalb des Gehäuses angeordnet, in welchem das Batteriemodul angeordnet ist. Dadurch ist das Steuerelement von außen zugänglich und kann verhältnismäßig einfach ausgetauscht werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement in ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Regelung des Batteriemoduls integriert. Das Steuerelement ist somit nicht als separates Bauteil ausgebildet sondern ist Teil eines vorhandenen Batteriemanagementsystems.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Zuordnung der ersten Spannung zu der zweiten Spannung in dem Steuerelement fest vorgegeben. Dazu weist das Steuerelement beispielsweise eine diskrete Schaltung zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers auf. Besagte Schaltung kann sowohl als analoge Schaltung als auch als digitale Schaltung ausgeführt sein. Insbesondere weist das Steuerelement in diesem Fall keinen programmierbaren Prozessor oder Mikrocontroller auf, welcher die Zuordnung der ersten Spannung zu der zu generierenden zweiten Spannung nach einem vorgebbaren Algorithmus berechnen kann.
-
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Steuerelement eine Recheneinheit auf, welche eine Zuordnung der ersten Spannung zu der zweite Spannung berechnet. In diesem Fall umfasst die Recheneinheit des Steuerelements beispielsweise einen programmierbaren Prozessor oder Mikrocontroller, welcher die zu generierende zweite Spannung nach einem vorgebbaren Algorithmus berechnet. Die Recheneinheit kann bei der Zuordnung der ersten Spannung zu der zweite Spannung auch weitere Größen berücksichtigen, beispielsweise eine Temperatur, die von einem entsprechenden Aufnehmer gemessen wird.
-
Bevorzugt 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.
-
Die Art der Batteriezellen ist dabei nicht auf Lithium-Ionen-Zellen limitiert. Grundsätzlich sind alle Arten von Sekundärzellen geeignet, welche verbesserte Eigenschaften als Blei-Säure-Batteriezellen aufweisen. Beispielsweise eignen sich Lithium-Schwefel-Zellen, Lithium-Luft-Zellen, Superkondensatoren (Supercaps, SC), Lithium-Kondensatoren sowie Batteriezellen mit Festkörperelektrolyten.
-
Es wird auch ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße Batterieeinheit und einen Batteriesensor umfasst. Der Batteriesensor ist dabei mit einem negativen Pol der Batterieeinheit und mit dem Steuerelement verbunden. Der Batteriesensor ist also nicht direkt mit dem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden, sondern der Batteriesensor ist über das Steuerelement indirekt mit dem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden. Das Steuerelement ist also mit dem Batteriesensor und mit dem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden.
-
Der Batteriesensor umfasst Mittel zur Spannungsmessung und Mittel zur Messung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol der Batterieeinheit fließt. Der Batteriesensor umfasst ferner mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung der gemessenen Werte zu einem Steuergerät des Fahrzeugs. Die Kommunikationsschnittstelle kann beispielsweise als digitale Busschnittstelle ausgeführt sein oder auch als analoge Schnittstelle.
-
Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit sowie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit ist dabei in das Kraftfahrzeug eingebaut und das Steuerelement ist mit dem Batteriesensor und mit dem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden.
-
Erfindungsgemäß wird dabei in Abhängigkeit von der ersten Spannung an dem positiven Pol der Batterieeinheit die zweite Spannung zur Versorgung des Batteriesensors von dem Gleichspannungswandler des Steuerelements generiert.
-
Die erste Spannung an dem positiven Pol ist insbesondere von dem Ladezustand (state of charge, SOC) des Batteriemoduls abhängig. Die erste Spannung kann auch von weiteren Zustandsgrößen abhängig sein, unter anderem von einem fließenden Strom sowie von der Alterung des Batteriemoduls. Bei gleichem Ladezustand einer konventionellen Blei-Säure-Batterie und einem Batteriemodul mit Lithium-Ionen-Zellen weicht jedoch die erste Spannung der Blei-Säure-Batterie von der ersten Spannung des Batteriemoduls mit Lithium-Ionen-Zellen ab.
-
Die zweite Spannung zur Versorgung des Batteriesensors wird vorteilhaft derart von dem Gleichspannungswandler des Steuerelements generiert, dass die zweite Spannung bei einem gegebenen Ladezustand des Batteriemoduls der ersten Spannung an dem positiven Pol der Blei-Säure-Batterie bei dem gleichem Ladezustand entspricht. Die zweite Spannung zur Versorgung des Batteriesensors entspricht somit der ersten Spannung an dem positiven Pol der Blei-Säure-Batterie, welche die Blei-Säure-Batterie bei dem gleichen Ladezustand hätte.
-
Von dem Gleichspannungswandler wird insbesondere keine konstante zweite Spannung generiert, die von der ersten Spannung unabhängig wäre. Die zweite Spannung, die an dem Batteriesensor anliegt, ist von der ersten Spannung an dem positiven Pol der Batterieeinheit abhängig. Von dem Gleichspannungswandler wird daher eine variable zweite Spannung generiert, welche von der ersten Spannung abhängig ist. Die Abhängigkeit der zweiten Spannung von der ersten Spannung ist in der Regel nicht linear.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Zuordnung der ersten Spannung zu der zweiten Spannung von einer Recheneinheit des Steuerelements berechnet. Die Recheneinheit des Steuerelements umfasst dazu beispielsweise einen programmierbaren Prozessor oder Mikrocontroller, von welchem die zu generierende zweite Spannung nach einem vorgebbaren Algorithmus berechnet wird. Von der Recheneinheit können bei der Zuordnung der ersten Spannung zu der zweite Spannung auch weitere Größen berücksichtigt werden, beispielsweise eine Temperatur, die von einem entsprechenden Aufnehmer gemessen wird.
-
Eine Zuordnung der ersten Spannung zu der zweiten Spannung ist beispielsweise auch in dem Steuerelement fest vorgebbar. In diesem Fall benötigt das Steuerelement keinen programmierbaren Prozessor oder Mikrocontroller, von welchem die Zuordnung der ersten Spannung zu der zu generierenden zweiten Spannung nach einem vorgebbaren Algorithmus berechnet werden kann.
-
Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit, ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 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, Plug-In-Hybridfahrzeugen sowie Elektrofahrzeugen sind denkbar.
-
Vorteile der Erfindung
-
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. Ein in dem Kraftfahrzeug vorhandener Batteriesensor, welcher auf die Eigenschaften der ausgetauschten Blei-Säure-Batterie abgestimmt ist, kann beibehalten werden und ist somit Teil der neu eingesetzten Batterieeinheit. Das Steuerelement mit dem Gleichspannungswandler ermöglicht somit den Einsatz einer Lithium-Ionen-Batterie in Kraftfahrzeugen, die auf die Eigenschaften einer Blei-Säure-Batterie abgestimmt sind.
-
Durch die entsprechende Auslegung des Steuerelements kann die an dem positiven Pol anliegende erste Spannung auf eine zweite Spannung an dem Batteriesensor abgebildet werden, welche der Spannung an den Polklemmen der Blei-Säure Batterie bei gleichen Bedingungen, insbesondere bei gleichem Ladezustand, entspricht. Hiermit ist sichergestellt, dass die Batteriezustandserkennung des Kraftfahrzeugs korrekt funktioniert und die Funktionalitäten im Kraftfahrzeug erhalten bleiben.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine Batterieeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Batteriesensor an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
- 2 eine Batterieeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem Batteriesensor an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und
- 3 eine Batterieeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem Batteriesensor an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
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.
-
1 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Batteriesensor 52 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 Volt gegenüber einer Masseleitung 55 in dem Kraftfahrzeug auf. Die Batterieeinheit 10 und der Batteriesensor 52 bilden ein Batteriesystem.
-
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 dem Batteriesensor 52 verbunden ist. Der Batteriesensor 52 ist auch mit der Masseleitung 55 verbunden. Ferner ist der Batteriesensor 52 mittels einer Busschnittstelle 53 mit einem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeugs verbunden.
-
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 Volt. 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 Nominalspannung von 12 Volt an.
-
Das Batteriemodul 20 ist in einem Gehäuse 24 angeordnet. Der negative Pol 11 und der positive Pol 12 ragen aus dem Gehäuse 24 heraus. Das negative Terminal 21 ist elektrisch mit dem negativen Pol 11 verbunden und das positive Terminal 22 ist elektrisch mit dem positiven Pol 12 verbunden. Somit liegt zwischen den Polen 11, 12 ebenfalls die von den Batteriezellen des Batteriemoduls 20 gelieferte Nominalspannung von 12 Volt an.
-
Die Batterieeinheit 10 umfasst auch ein Batteriemanagementsystem 40 zur Überwachung und Regelung des Batteriemoduls 20. Das Batteriemanagementsystem 40 befindet sich vorliegend ebenfalls innerhalb des Gehäuses 24.
-
Die Batterieeinheit 10 umfasst ferner ein Steuerelement 30. Das Steuerelement 30 weist einen ersten Anschluss 31 auf, welcher mit dem positiven Pol 12 elektrisch verbunden ist. Das Steuerelement 30 weist auch einen zweiten Anschluss 32 auf, welcher mit dem Batteriesensor 52 elektrisch verbunden ist.
-
Das Steuerelement 30 befindet sich vorliegend ebenfalls in dem Gehäuse 24. Die elektrische Verbindung des zweiten Anschlusses 32 des Steuerelements 30 mit dem Batteriesensor 52 geschieht vorliegend über einen Zusatzpol 13, welcher aus dem Gehäuse 24 heraus ragt.
-
An dem ersten Anschluss 31 des Steuerelements 30 liegt die von dem Batteriemodul 20 gelieferte Nominalspannung von 12 Volt an, welche im Folgenden als erste Spannung bezeichnet wird. An dem zweiten Anschluss 32 des Steuerelements 30 liegt eine zweite Spannung zur Versorgung des Batteriesensors 52 an, welche von dem Steuerelement 30 generiert wird.
-
Dazu umfasst das Steuerelement 30 einen Gleichspannungswandler, welcher in Abhängigkeit von der ersten Spannung an dem ersten Anschluss 31 die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss 32 zur Versorgung des Batteriesensors 52 generiert. In dem Steuerelement 30 ist eine Zuordnung der ersten Spannung zu der zweiten Spannung fest vorgegeben. Dazu weist das Steuerelement 30 vorliegend eine diskrete analoge Schaltung zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers auf.
-
Der Batteriesensor 52 misst unter anderem die zweite Spannung, welche in der Regel von der ersten Spannung abweicht. Auch misst der Batteriesensor 52 einen von der Masseleitung 55 zu dem negativen Pol 11 fließenden Strom, welcher einem Strom durch das Batteriemodul 20 und durch die Batterieeinheit 10 entspricht.
-
Aus der gemessenen zweiten Spannung und aus dem gemessenen Strom durch das Batteriemodul 20 ermittelt der Batteriesensor 52 einen Zustand des Batteriemoduls 20. Der Zustand des Batteriemoduls 20 umfasst insbesondere einen Ladezustand des Batteriemoduls 20. Der Batteriesensor 52 überträgt den ermittelten Zustand des Batteriemoduls 20 über die Busschnittstelle 53 zu dem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeugs.
-
2 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem Batteriesensor 52 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 wird nur auf Unterschiede eingegangen.
-
Das Steuerelement 30 befindet sich vorliegend außerhalb des Gehäuses 24, in welchem das Batteriemodul 20 angeordnet ist. Ein aus dem Gehäuse 24 heraus ragender Zusatzpol 13 ist vorliegend nicht vorgesehen. Der zweite Anschluss 32 des Steuerelements 30 ist vorliegend unmittelbar mit dem Batteriesensor 52 verbunden.
-
3 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem Batteriesensor 52 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 wird nur auf Unterschiede eingegangen.
-
Das Steuerelement 30 ist vorliegend in das Batteriemanagementsystem 40 zur Überwachung und Regelung des Batteriemoduls 20 integriert. Das Steuerelement 30 und das Batteriemanagementsystem 40 bilden somit eine Einheit, welche vorliegend innerhalb des Gehäuses 24 angeordnet ist, in welchem auch das Batteriemodul 20 angeordnet ist. Die elektrische Verbindung des zweiten Anschlusses 32 des Steuerelements 30 mit dem Batteriesensor 52 geschieht vorliegend, wie auch bei Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform, über einen Zusatzpol 13, welcher aus dem Gehäuse 24 heraus ragt.
-
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 2015/0037616 A1 [0008]
- US 2015/0293180 A1 [0009]
