DE102018006582A1 - Battery for a motor vehicle and vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie (1) für ein Kraftfahrzeug (10), ein Kraftfahrzeugbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug (10). Die Batterie (1) umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher (20), wenigstens einen Masseanschluss (21, 31), einen ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) und ein Batteriemanagementsystem (24). Ein positiver Pol (201) des Energiespeichers (20) ist über ein Leistungsschaltelement (23) schaltbar mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) verbunden, wobei das Leistungsschaltelement (23) durch das Batteriemanagementsystem (24) ansteuerbar ist. Die Batterie (1) umfasst ferner einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss (32) der über eine erste Schaltungseinrichtung (33) mit dem positiven Pol (201) des Energiespeichers (20) elektrisch verbunden ist, wobei die erste Schaltungseinrichtung (33) eine Strombegrenzungseinrichtung umfasst. The invention relates to a battery (1) for a motor vehicle (10), a motor vehicle electrical system and a motor vehicle (10). The battery (1) comprises an electrochemical energy store (20), at least one ground connection (21, 31), a first supply voltage connection (22) and a battery management system (24). A positive pole (201) of the energy store (20) is switchably connected to the first supply voltage connection (22) via a power switching element (23), the power switching element (23) being controllable by the battery management system (24). The battery (1) further comprises a second supply voltage connection (32) which is electrically connected to the positive pole (201) of the energy store (20) via a first circuit device (33), the first circuit device (33) comprising a current limiting device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeugbordenetz sowie ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to a battery for a motor vehicle, a motor vehicle on-board network and a motor vehicle.
Kraftfahrzeugbordnetze werden konventionell mit einer Blei-Säure-Batterie ausgerüstet, mit der im Beispiel eines Personenkraftwagens (PKW) eine Batterienennspannung von 12 V bereitgestellt wird. Die Batterie dient dabei zum Starten eines Verbrennungsmotors sowie zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugbornetzes, sofern von einem verbrennungsmotorbetrieben Generator keine oder eine nicht ausreichende elektrische Leistung bereitgestellt wird.Motor vehicle electrical systems are conventionally equipped with a lead-acid battery, with which a nominal battery voltage of 12 V is provided in the example of a passenger car. The battery is used to start an internal combustion engine and to supply electrical consumers of the motor vehicle network, if no or insufficient electrical power is provided by an internal combustion engine-operated generator.
Für zukünftige Fahrzeuganwendungen, insbesondere hinsichtlich der angestrebten CO2-bzw. Kraftstoffeinsparungen, gewinnen Fahrzeugbatterien mit einem Zellsystem basierend auf der Lithium-Ionen- (Li-Ion-) Technologie zunehmend an Bedeutung. Fahrzeugbatterien mit Li-Ion-Zellen besitzen gegenüber den herkömmlichen Blei-Säure-Batterien eine höhere Energiespeicherdichte, mit der eine Gewichtsreduzierung erzielt werden kann. Des Weiteren weisen die Li-lon-Zellen eine höhere Ladeakzeptanz als Blei-Säure-Batterien auf, die insbesondere zum Speichern von rekuperierter Bremsenergie vorteilhaft ist.For future vehicle applications, especially with regard to the desired CO2 or Fuel savings, vehicle batteries with a cell system based on lithium-ion (Li-ion) technology are becoming increasingly important. Vehicle batteries with Li-ion cells have a higher energy storage density than conventional lead-acid batteries, which can be used to reduce weight. Furthermore, the Li-ion cells have a higher charge acceptance than lead-acid batteries, which is particularly advantageous for storing recuperated braking energy.
Neben den genannten und weiteren Vorteilen weisen auf Li-Ion-Technologie basierende elektrochemische Zellsysteme auch einige kritische Eigenschaften auf. Lithium-Ion-Zellen sind insbesondere weniger widerstandsfähig gegen Überladen und gegen Überströme als konventionelle Blei-Säure-Batterien. Li-Ion-Batterien für Kraftfahrzeuge sind daher mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet, das zusammen mit einem Leistungsschalter und dem elektrochemischen Energiespeicher, d.h. einer Anzahl von miteinander verschalteten Li-lon-Zellen, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Aus dem Batteriegehäuse sind zwei Anschlussklemmen herausgeführt, über die eine Versorgungsspannung und ein Massepotential für ein Kraftfahrzeugbordnetz bereitgestellt wird. Der Versorgungsspannungsanschluss ist schaltbar über den Leistungsschalter mit dem positiven Pol der Li-lon-Zellen verbunden, der Masseanschluss mit dem negativen Pol. Das BMS umfasst ein Mikroprozessorsystem und unterschiedliche Messeinrichtungen, mit denen zahlreiche Batterie- bzw. Zellparameter überwacht werden können. Ferner ist das BMS mit einer Datenschnittstelle zum Anschluss z.B. an ein CAN- bzw. LIN-BUS eines Kraftfahrzeugbordnetzes ausgerüstet, so dass eine Kommunikation mit dem Energie- bzw. Generator-Management und anderen Steuergeräten möglich ist. Das BMS ist insbesondere eingerichtet, den aktuellen Ladezustand (engl. State of Charge, SoC) der Li-Ion-Batterie festzustellen. Falls eine Überladung oder ein Überstrom nicht über das Energiemanagement ausgeregelt werden können, kann aus Sicherheitsgründen der Leistungsschalter getrennt werden.In addition to the mentioned and other advantages, electrochemical cell systems based on Li-ion technology also have some critical properties. Lithium-ion cells in particular are less resistant to overcharging and overcurrents than conventional lead-acid batteries. Li-ion batteries for motor vehicles are therefore equipped with a battery management system (BMS), which together with a circuit breaker and the electrochemical energy store, i.e. a number of interconnected Li-lon cells are arranged in a common housing. Two terminals are led out of the battery housing, via which a supply voltage and a ground potential for a motor vehicle electrical system are provided. The supply voltage connection is switchably connected to the positive pole of the Li-ion cells via the circuit breaker, the ground connection to the negative pole. The BMS comprises a microprocessor system and various measuring devices with which numerous battery and cell parameters can be monitored. The BMS is also equipped with a data interface for connection e.g. to a CAN or LIN bus of a motor vehicle electrical system, so that communication with the energy or generator management and other control devices is possible. In particular, the BMS is set up to determine the current state of charge (SoC) of the Li-ion battery. If an overcharge or an overcurrent cannot be corrected via the energy management, the circuit breaker can be disconnected for safety reasons.
Neben einer geringen Widerstandsfähigkeit gegenüber Überladungen und Überströme sind Li-Ion-Batterien auch empfindlich gegenüber Tiefentladungen, die zu Zellschäden und einer verkürzten Lebensdauer oder einem sofortigen Ausfall der Batterie führen können. Bei einem abgestellten Kraftfahrzeug kann es daher problematisch werden, dass viele der im Kraftfahrzeugbordnetz verteilten Steuergeräte in einen Bereitschaftszustand versetzt werden, die währenddessen weiterhin elektrischen Strom aufnehmen. Die Stromaufnahme in einem Kraftfahrzeugbordnetz kann sich je nach Fahrzeugmodell und Ausstattung zum Beispiel in einem Bereich zwischen 5 mA und 25 mA summieren. Dieser Bereitschaftsbetrieb kann für eine Li-Ion-Batterie im Kraftfahrzeugbordenetz beispielsweise dann kritisch werden, wenn das Fahrzeug über einen längeren Zeitraum beispielsweise über Wochen und Monate abgestellt wird, innerhalb dem die Batterie über einen Tiefentladungsschwellwert hinaus entladen werden könnte.In addition to low resistance to overcharging and overcurrents, Li-ion batteries are also sensitive to deep discharges, which can lead to cell damage and a shortened lifespan or an immediate failure of the battery. When a motor vehicle is parked, it can therefore be problematic that many of the control units distributed in the vehicle electrical system are put into a standby state, which continue to consume electrical current. Depending on the vehicle model and equipment, the current consumption in a motor vehicle electrical system can add up, for example, in a range between 5 mA and 25 mA. This standby mode can become critical for a Li-ion battery in the motor vehicle on-board network, for example, if the vehicle is parked over a longer period of time, for example weeks and months, within which the battery could be discharged beyond a deep discharge threshold value.
Aus der
Nachteilig an dem Stand der Technik ist, dass eine schutzabgeschaltete Fahrzeugbatterie durch einen Fahrzeugnutzer erst manuell reaktiviert werden muss, bevor überhaupt eine der elektrischen Fahrzeugfunktionen verfügbar ist.A disadvantage of the prior art is that a vehicle battery which has been switched off in a protective manner must first be reactivated manually by a vehicle user before one of the electrical vehicle functions is even available.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen verbesserten Tiefentladungsschutz für eine Fahrzeugbatterie bereitzustellen, der insbesondere der Benutzerfreundlichkeit im Zusammenhang mit Langzeitparkvorgängen, d.h. beim Abstellen eines Fahrzeuges für einen Zeitraum von beispielsweise einem Monat und länger, gerecht wird.The object of the present invention is therefore to provide an improved deep discharge protection for a vehicle battery, which in particular is user-friendly in connection with long-term parking processes, i.e. when parking a vehicle for a period of, for example, one month and longer.
Vorgeschlagen wird dementsprechend eine Batterie für ein Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Hauptanspruch und durch ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug und durch ein Kraftfahrzeug gemäß den Nebenansprüchen. Weiterführende Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Accordingly, a battery for a motor vehicle is proposed according to the independent main claim and by an electrical system for a motor vehicle and by a motor vehicle according to the subsidiary claims. Further developments are the subject of the respective subclaims.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zufolge gelöst durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, die einen elektrochemischen Energiespeicher, wenigstens einen Masseanschluss, einen ersten Spannungsanschluss und ein Batteriemanagementsystem umfasst. Ein positiver Pol des Energiespeichers ist über ein Leistungsschaltelement schaltbar mit dem ersten Spannungsanschluss verbunden und das Leistungsschaltelement durch das Batteriemanagementsystem ansteuerbar ist. Die Batterie umfasst ferner einen zweiten Spannungsanschluss, der über eine erste Schaltungseinrichtung mit dem positiven Pol des Energiespeichers elektrisch verbunden ist, wobei die erste Schaltungseinrichtung eine Strombegrenzungseinrichtung umfasst.According to a first aspect of the invention, the object is achieved by a battery for a motor vehicle which comprises an electrochemical energy store, at least one ground connection, a first voltage connection and a battery management system. A positive pole of the energy store is connected to the first voltage connection via a power switching element and the power switching element can be controlled by the battery management system. The battery further comprises a second voltage connection, which is electrically connected to the positive pole of the energy store via a first circuit device, the first circuit device comprising a current limiting device.
Ein elektrochemischer Energiespeicher umfasst wenigstens eine Gruppe mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen. Der positive Pol des Energiespeichers ist der Pluspol der Reihenschaltung aus den elektrochemischen Zellen, der negative Pol ist der Minuspol dieser Reihenschaltung, der vorzugsweise als Bezugs- bzw. Massepotential definiert wird. Zwischen dem positiven und dem negativen Pol des Energiespeichers wird die Batteriespannung bereitgestellt, die über Anschlussklemmen für den ersten und zweiten Spannungsanschluss sowie dem Masseanschluss aus einem Batteriegehäuse herausgeführt ist. Die elektrochemischen Zellen sind vorzugsweise Li-lon-Zellen.An electrochemical energy store comprises at least one group with a number of electrochemical cells connected in series. The positive pole of the energy store is the positive pole of the series circuit made up of the electrochemical cells, the negative pole is the negative pole of this series circuit, which is preferably defined as a reference or ground potential. The battery voltage is provided between the positive and the negative pole of the energy store and is led out of a battery housing via connection terminals for the first and second voltage connection and the ground connection. The electrochemical cells are preferably Li-ion cells.
Ein Batteriemanagementsystem umfasst elektronische Schaltkreise zum Steuern und Regeln von Lade- und Entladevorgängen des elektrochemischen Energiespeichers bzw. seiner einzelnen Zellen. Das Batteriemanagementsystem kann ein Mikroprozessorsystem beinhalten, mit dem Batterieparameter wie Batteriespannung, einzelne Zellspannungen, Temperaturen und/oder Ströme erfasst und verarbeitet werden, um weitere Parameter wie den Ladezustand der Batterie zu ermitteln. Wird bei wenigstens einem Parameter ein kritischer Grenzwert erreicht, kann die Elektronik bzw. der Mikroprozessor des Batteriemanagementsystems das Leistungsschaltelement ansteuern, so dass der elektrochemische Energiespeicher von zumindest einer aus dem Batteriegehäuse herausgeführten Anschlussklemme und somit auch von einem angeschlossenen Kraftfahrzeugbordnetz getrennt werden kann.A battery management system comprises electronic circuits for controlling and regulating charging and discharging processes of the electrochemical energy store or its individual cells. The battery management system can include a microprocessor system with which battery parameters such as battery voltage, individual cell voltages, temperatures and / or currents are recorded and processed in order to determine further parameters such as the state of charge of the battery. If a critical limit value is reached for at least one parameter, the electronics or the microprocessor of the battery management system can control the power switching element, so that the electrochemical energy store can be separated from at least one connection terminal led out of the battery housing and thus also from a connected vehicle electrical system.
Das Leistungsschaltelement ist vorzugsweise in Form eines elektromechanischen Schützes einem sogenannten Hauptschütz (engl. main contactor) ausgeführt. Grundsätzlich kann auch ein Leistungshalbleiterschalter an dieser Stelle Verwendung finden, sofern Ströme von typischerweise 800 A bzw. Stromspitzen von typischerweise bis zu 1400 A zuverlässig getrennt werden können. Ein Leistungsschaltelement kann grundsätzlich auch zweipolig ausgestaltet sein, so dass neben dem ersten Spannungsanschluss gleichzeitig auch ein zugeordneter Masseanschluss vom Energiespeicher getrennt werden kann.The power switching element is preferably designed in the form of an electromechanical contactor, a so-called main contactor. In principle, a power semiconductor switch can also be used at this point, provided that currents of typically 800 A or current peaks of typically up to 1400 A can be reliably separated. In principle, a power switching element can also be configured with two poles, so that in addition to the first voltage connection, an associated ground connection can also be disconnected from the energy store at the same time.
Gemäß diesem ersten Aspekt der Erfindung wird ein zweiter Spannungsanschluss an der Batterie bereitgestellt, der zumindest in bestimmten Fällen einer durch das Batteriemanagementsystem initiierten Abschaltung des ersten Spannungsanschluss nicht betroffen ist. Somit kann über diesen zweiten Spannungsanschluss eine elektrische Energieversorgung für ausgewählte Verbraucher bereitgestellt werden. Bei einer Trennung des Leistungsschaltelements zum Schutz der Batterie vor einer Tiefentladung ist es sinnvoll, nur elektrische Verbraucher für die notwendigsten Funktionen zu versorgen. Daher wird der maximale Strom begrenzt, der über den zweiten Spannungsanschluss abgegeben werden kann, so dass auch ein weiteres Entladen des elektrochemischen Energiespeichers auf ein Minimum reduziert werden kann.According to this first aspect of the invention, a second voltage connection is provided on the battery, which, at least in certain cases, does not affect a shutdown of the first voltage connection initiated by the battery management system. An electrical energy supply for selected consumers can thus be provided via this second voltage connection. If the power switching element is separated to protect the battery from deep discharge, it makes sense to supply only electrical consumers for the most important functions. The maximum current that can be emitted via the second voltage connection is therefore limited, so that further discharging of the electrochemical energy store can also be reduced to a minimum.
Mit der vorliegenden Erfindung wird neben dem bekannten Bereitschaftsbetrieb und einer Bordnetzvollabschaltung beim Erreichen bzw. Unterschreiten eines kritischen Ladezustands der Batterie ein Langzeitbereitschaftsmodus bereitgestellt, mit dem zumindest eine minimale Bordnetzfunktion mit geringer Leistungsaufnahme bereitgestellt werden kann.With the present invention, in addition to the known standby mode and a vehicle electrical system shutdown when a critical state of charge of the battery is reached or undershot, a long-term standby mode is provided with which at least a minimal vehicle electrical system function with low power consumption can be provided.
Gemäß einer Weiterbildung des ersten Erfindungsaspektes kann das Batteriemanagementsystem einen Timer und eine Datenschnittstelle umfassen. Das Batteriemanagementsystem kann ferner ausgebildet sein, den Timer in Abhängigkeit einer über die Datenschnittstelle empfangenen ersten Fahrzeugbetriebszustandsinformation zu starten. Das Batteriemanagementsystem kann ferner dazu ausgebildet sein, das Leistungsschaltelement in Abhängigkeit eines abgelaufenen Timers anzusteuern, um den positiven Pol des Energiespeichers von dem elektrisch ersten Spannungsanschluss elektrisch zu trennen.According to a development of the first aspect of the invention, the battery management system can comprise a timer and a data interface. The battery management system can also be designed to start the timer as a function of first vehicle operating status information received via the data interface. The battery management system can also be designed to control the power switching element as a function of an expired timer in order to electrically separate the positive pole of the energy store from the electrically first voltage connection.
Die Idee hinter dieser Weiterbildung ist, einen präventiven Tiefentladungsschutz für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, der vorzugsweise bei einem Ladezustand ausgelöst wird, der oberhalb eines kritischen unteren Ladezustandes liegt. Somit kann ggf. eine ausreichende Ladung zum Starten eines Motors in einem Kraftfahrzeug in der Batterie zurückgehallten werden, die nach einer Reaktivierung der Batterie über den ersten Spannungsanschluss abgerufen werden kann.The idea behind this development is to provide preventive deep discharge protection for a battery of a motor vehicle, which is preferably triggered when the state of charge is above a critical lower state of charge. A sufficient charge to start an engine in a motor vehicle can thus possibly be retained in the battery, which can be called up via the first voltage connection after the battery has been reactivated.
Fahrzeugbetriebszustandsinformation kann beispielsweise ein Verriegelungssignal aus einem Steuergerät einer Zentralverriegelung sein, das als charakteristisches Signal für einen Beginn eines Parkvorgangs angesehen werden kann. Eine Ablaufzeit des Timers kann so derart gewählt sein, dass das Leistungsschaltelement den ersten Spannungsanschluss erst dann batteriespannungsfrei schaltet, wenn ein Kraftfahrzeug für einen längeren Zeitraum abgestellt wird, innerhalb dem eine Tiefentladung der Batterie droht. Wird zum Beispiel eine Ablaufzeit von 30 Tagen gewählt, so ist eine normale Wiederinbetriebnahme und Start des Fahrzeuges aus dem Bereitschaftsbetrieb möglich. Vehicle operating status information can be, for example, a locking signal from a control unit of a central locking system, which can be regarded as a characteristic signal for the start of a parking process. An expiry time of the timer can be selected in such a way that the power switching element only switches the first voltage connection free of battery voltage when a motor vehicle is parked for a longer period of time, within which a deep discharge of the battery threatens. For example, if an expiry time of 30 days is selected, normal recommissioning and starting of the vehicle from standby mode is possible.
Gemäß einer alternativen oder ergänzenden Weiterbildung kann das Batteriemanagementsystem ausgebildet sein, einen Ladezustand des Energiespeichers zu erfassen und das Leistungsschaltelement in Abhängigkeit eines Unterschreitens einer ersten Ladezustandsschwelle anzusteuern, um die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Pol des Energiespeichers und dem elektrisch ersten Spannungsanschluss zu trennen.According to an alternative or additional development, the battery management system can be designed to detect a state of charge of the energy store and to control the power switching element as a function of falling below a first charge state threshold in order to separate the electrical connection between the positive pole of the energy store and the electrically first voltage connection.
Die erste Ladezustandsschwelle kann vorteilhafterweise so gewählt sein, dass in dem Energiespeicher der Batterie ein Ladezustand verbleibt, der zumindest für einen Motorstart eines Kraftfahrzeuges ausreichend ist, ohne dass der Energiespeicher in einen kritischen Tiefentladezustand gelangt.The first state of charge threshold can advantageously be chosen such that a state of charge remains in the energy store of the battery, which state of charge is sufficient at least for an engine start of a motor vehicle without the energy store reaching a critical deep discharge state.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung kann dem Batteriemanagementsystem ferner eine zweite Schaltungseinrichtung zugeordnet sein, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines getrennten Leistungsschaltelementes eine Versorgungsspannung zumindest für Teile des Batteriemanagementsystem zu unterbrechen.According to a further embodiment of the first aspect of the invention, the battery management system can also be assigned a second circuit device which is designed to interrupt a supply voltage at least for parts of the battery management system as a function of a separate power switching element.
Das Batteriemanagementsystem mit einem integrierten Mikroprozessor und zugeordneten Schaltungseinrichtungen zum Erfassen und Aufbereiten von gemessenen physikalischen Betriebsparametern, stellt auch einen Verbraucher dar, der im Bereitschaftsbetrieb weiterhin elektrischen Strom aufnimmt, die von dem elektrochemischen Energiespeicher der Batterie bereitgestellt werden muss. Mit einer Unterbrechung der Versorgungsspannung, zumindest für Teile des Batteriemanagementsystems, in Abhängigkeit eines getrennten Leistungsschaltelements kann die Entladung des Energiespeichers zusätzlich reduziert werden.The battery management system with an integrated microprocessor and associated circuit devices for recording and processing measured physical operating parameters also represents a consumer that continues to consume electrical current in standby mode, which must be provided by the electrochemical energy store of the battery. With an interruption in the supply voltage, at least for parts of the battery management system, as a function of a separate power switching element, the discharge of the energy store can be reduced further.
Gemäß einer Weiterbildung kann ferner eine Überwachungseinrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, eine Spannung über die Anzahl miteinander verschalteter Batteriezellen zu erfassen und mit einem unteren Spannungsschwellwert zu vergleichen.According to a further development, a monitoring device can also be provided, which is designed to detect a voltage across the number of interconnected battery cells and to compare it with a lower voltage threshold value.
Auch in einem Langzeitbereitschaftsmodus kann eine untere Ladezustandsschwelle stetig überwacht werden, um eine Schädigung des elektrochemischen Energiespeichers bzw. drohenden Zelldefekten entgegenwirken zu können. Die untere Ladezustandsschwelle kann anhand eines korrespondierenden minimalen Spannungswerts zwischen dem positiven und dem negativen Pol des Energiespeichers überwacht werden. Die Überwachungseinrichtung stellt eine vom Batteriemanagementsystem, mit dem der Ladezustand der Batterie kontinuierlich berechnet und überwacht werden kann, unabhängige Tiefentladungsüberwachung bereit. Somit kann das Batteriemanagementsystem während eines Langzeitbereitschaftsmodus deaktiviert werden.Even in a long-term standby mode, a lower charge state threshold can be continuously monitored in order to counter damage to the electrochemical energy store or impending cell defects. The lower state of charge threshold can be monitored on the basis of a corresponding minimum voltage value between the positive and the negative pole of the energy store. The monitoring device provides a deep discharge monitoring that is independent of the battery management system, with which the state of charge of the battery can be continuously calculated and monitored. The battery management system can thus be deactivated during a long-term standby mode.
Ergänzend kann die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die erste Schaltungseinrichtung anzusteuern, um bei einem Unterschreiten des unteren Spannungsschwellwerts den positiven Pol des Energiespeichers von dem zweiten Spannungsanschluss elektrisch zu trennen.In addition, the monitoring device can be designed to control the first circuit device in order to electrically separate the positive pole of the energy store from the second voltage connection when the voltage drops below the lower voltage threshold.
Mit Erreichen einer kritischen unteren Ladezustandsschwelle kann ein Langzeitbereitschaftsmodus beendet werden, so dass die Batterie bzw. ihre Zellen vor einer weiteren Entladung geschützt wird bzw. werden.When a critical lower state of charge threshold is reached, a long-term standby mode can be ended, so that the battery or its cells are protected against further discharge.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Überwachungseinrichtung eine analoge Komparator-Schaltung mit wenigstens einem Operationsverstärker und einer Referenzspannungsschalungseinrichtung umfassen.According to a development, the monitoring device can comprise an analog comparator circuit with at least one operational amplifier and a reference voltage formwork device.
Entsprechende analoge Schaltungen zeichnen sich durch eine Stromaufnahme im Bereich von einigen µA aus, während ein mikroprozessorbasiertes Batteriemanagementsystem im Betrieb zwischen 1-3 mA benötigt. Insbesondere für einen Langzeitbereitschaftsmodus wird somit ein energiesparender Tiefentladungsschutz bereitgestellt.Corresponding analog circuits are characterized by a current consumption in the range of a few µA, while a microprocessor-based battery management system requires between 1-3 mA in operation. Energy-saving deep discharge protection is thus provided in particular for a long-term standby mode.
Gemäß einer Weiterbildung kann die erste Schaltungseinrichtung der Batterie einen Leistungstransistor, eine Messeinrichtung sowie eine Treiberlogik umfassen. Die Messeinrichtung kann ausgebildet sein, einen durch den Leistungstransistor fließenden Laststrom zu erfassen. Die Treiberlogik kann ausgebildet sein, den Leistungstransistor in Abhängigkeit des Laststroms und in Abhängigkeit eines Unterschreitens des unteren Spannungsschwellwerts anzusteuern.According to a further development, the first circuit device of the battery can comprise a power transistor, a measuring device and driver logic. The measuring device can be designed to detect a load current flowing through the power transistor. The driver logic can be designed to control the power transistor as a function of the load current and as a function of falling below the lower voltage threshold.
Der Leistungstransistor vereint im Zusammenwirken mit der zugeordneten Messeinrichtung und Treiberlogik eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem Leistungsschalter in einem Halbleiterbauelement. Vorzugsweise können Leistungstransistor, Messeinrichtung und Treiberlogik in einem monolithisch integrierten Schaltkreis (engl. Integrated Circuit, IC) zusammengefasst sein.In cooperation with the associated measuring device and driver logic, the power transistor combines a current limiting device with a power switch in a semiconductor component. The power transistor, measuring device and driver logic can preferably be combined in one monolithic integrated circuit (IC).
Die erste Schaltungseinrichtung kann gemäß einer Weiterbildung ausgebildet sein, mittels der Messeinrichtung einen Stromimpuls zu erfassen. Die erste kann ferner ausgebildet sein, in Abhängigkeit eines erfassten Stromimpulses ein Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem zu senden.According to a further development, the first circuit device can be designed to detect a current pulse by means of the measuring device. The first can also be designed to send a wake-up signal to the battery management system as a function of a detected current pulse.
Ein Gedanke hinter der vorliegenden Erfindung ist, auch eine komfortable Möglichkeit zur Beendigung eines Langzeitbereitschaftsmodus bzw. zum Reaktivieren eines jeweiligen Kraftfahrzeugbordnetzes bereitzustellen. Ein Stromimpuls stellt eine einfache Möglichkeit eine Kommunikation zwischen einem am zweiten Versorgungsspannungsanschluss angeschlossenen Steuergerät, z.B. das der Zentralverriegelung, und einer Batterieelektronik dar. Im Zusammenhang mit einem Zentralverriegelungsmodul des Kraftfahrzeuges kann der Stromimpuls, der bei einer Ansteuerung entsprechender Aktoren entsteht, als implizites Auswecksignal genutzt werden, so dass kein extra Signal generiert werden muss.One idea behind the present invention is also to provide a convenient way of ending a long-term standby mode or reactivating a respective vehicle electrical system. A current pulse provides a simple way of communication between a control device connected to the second supply voltage connection, e.g. that of the central locking system and battery electronics. In connection with a central locking module of the motor vehicle, the current pulse that arises when actuating corresponding actuators can be used as an implicit wake-up signal, so that no additional signal has to be generated.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die erste Schaltungseinrichtung eine Schmelzsicherung und einen elektromechanischen Leistungsschalter umfassen.According to an alternative embodiment, the first circuit device can comprise a fuse and an electromechanical circuit breaker.
In dieser Konfiguration sind die Funktionen der Strombegrenzungseinrichtung und des Leistungsschalters voneinander getrennt. Die Schmelzsicherung stellt dabei eine einfache Überstrombegrenzung, insbesondere für einen Fehlerfall dar. Der elektromechanische Leistungsschalter kann als Relais ausgebildet sein, das entsprechend eines Nennstromes der Schmelzsicherung auf einen geringen maximalen Strom ausgelegt ist.In this configuration, the functions of the current limiting device and the circuit breaker are separated from one another. The fuse is a simple overcurrent limitation, in particular in the event of a fault. The electromechanical circuit breaker can be designed as a relay which is designed for a low maximum current in accordance with a nominal current of the fuse.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeugbordnetz, das ein erstes Teilbordnetz mit einer ersten Spannungsversorgungsleitung, ein zweites Teilbordnetz mit einer zweiten Spannungsversorgungsleitung und eine Batterie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Die erste Spannungsversorgungsleitung des ersten Teilbordnetzes ist mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss der Batterie verbunden. Die zweite Spannungsversorgungsleitung ist mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss der Batterie verbunden. Die zweite Spannungsversorgungsleitung ist auf einen geringeren maximalen Strom ausgelegt, als die erste Spannungsversorgungsleitung.According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a motor vehicle electrical system which comprises a first sub-electrical system with a first voltage supply line, a second sub-electrical system with a second voltage supply line and a battery according to the first aspect of the invention. The first voltage supply line of the first sub-electrical system is connected to a first supply voltage connection of the battery. The second voltage supply line is connected to a second supply voltage connection of the battery. The second voltage supply line is designed for a lower maximum current than the first voltage supply line.
Das zweite Teilbordnetz ist gemäß einer Idee hinter dem zweiten Erfindungsaspekt zur elektrischen Energieversorgung ausgewählter Steuergräte vorgesehen, die während eines Langzeitbereitschaftsmodus in Summe eine kleinere Leistungs- bzw. Stromaufnahme haben, als die Summe aller Steuergeräte während eines herkömmlichen Bereitschaftsbetriebs. Die Auslegung auf einen geringeren maximalen Strom ermöglicht, für die zweite Spannungsversorgungsleitung geringere Leitungsquerschnitte vorzusehen, als für die erste Spannungsversorgungsleitung, zumindest in einem Leitungsabschnitt zwischen dem erstem Versorgungsspannungsanschluss der Batterie und einen ersten Sicherungskasten.The second sub-electrical system is provided according to an idea behind the second aspect of the invention for the electrical energy supply of selected control devices which, in a long-term standby mode, have a smaller power or current consumption than the sum of all control devices during a conventional standby mode. The design for a lower maximum current enables smaller line cross sections to be provided for the second voltage supply line than for the first voltage supply line, at least in one line section between the first supply voltage connection of the battery and a first fuse box.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeugbordnetz gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt.According to a third aspect of the invention, the object is achieved by a motor vehicle with a motor vehicle electrical system according to the second aspect of the invention.
Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktions-gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen:
-
1 ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeugbordnetz und einer Fahrzeugbatterie; -
2 eine Fahrzeugbatterie; -
3 eine erste Ausgestaltung einer ersten Schaltungseinrichtung der Fahrzeugbatterie; -
4 eine zweite Ausgestaltung einer ersten Schaltungseinrichtung der Fahrzeugbatterie.
-
1 a motor vehicle with a vehicle electrical system and a vehicle battery; -
2 a vehicle battery; -
3 a first embodiment of a first circuit device of the vehicle battery; -
4 a second embodiment of a first circuit device of the vehicle battery.
In der
Beide Teilbordnetze stellen jeweils eine 12 V Versorgungsnennspannung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer Fahrzeugkomponenten bereit. Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Teilbordnetz liegt darin, dass die zweite Versorgungsleitung
An der ersten Versorgungsleitung
Die zweite Versorgungsleitung
Das Kraftfahrzeugbordnetz umfasst ferner ein Datenübertragungsnetzwerk, das als CAN- oder LIN-Bussystem ausgebildet sein kann und eine Kommunikation zwischen zahlreichen elektronischen Steuergeräten im Kraftfahrzeugbordnetz ermöglicht. Insbesondere ist das Zentralverriegelungsmodul
Die
Die Batterie
Das BMS
Das Leistungsschaltelement
Die erfindungsgemäße Batterie
Der zweite Versorgungsspannungsanschluss
Der zweite Versorgungsspannungsanschluss
Das BMS
Das BMS
Empfängt das Zentralverriegelungsmodul
Der Langzeitbereitschaftsmodus kann somit mit dem Empfang eines Entriegelungsbefehls von der Schlüsselfernbedienung komfortabel beendet werden, in dem das zumindest teilweise deaktivierte BMS
Das BMS
In der
Die erste Schaltungseinrichtung
Die
Der Integrierte Schaltkreis besitzt einen Leistungs-MOS-Transistor
Obwohl der Gegenstand im Detail durch Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.Although the subject has been illustrated and explained in detail by means of exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art. It is therefore clear that there are a variety of possible variations. It is also clear that exemplary embodiments are only examples which are not to be interpreted in any way as a limitation of the scope, the possible applications or the configuration of the invention. Rather, the preceding description and the description of the figures enable the person skilled in the art to specifically implement the exemplary embodiments, the person skilled in the art being able to make various changes, for example with regard to the function or the arrangement of individual elements mentioned in an exemplary embodiment, in knowledge of the disclosed inventive concept, without the To leave the scope of protection, which is defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanations in the description.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Batteriebattery
- 22
- erste Versorgungsleitungfirst supply line
- 33
- zweite Versorgungsleitungsecond supply line
- 44
- Datenleitungdata line
- 55
- ZentralverriegelungsmodulCentral module
- 66
- Sicherungfuse
- 77
- Generatorgenerator
- 88th
- Verbraucherconsumer
- 99
- Sicherungfuse
- 1010
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 1414
- DatenschnittstelleData Interface
- 2020
- elektrochemischer Energiespeicherelectrochemical energy storage
- 201201
- positiver Polpositive pole
- 202202
- negativer Polnegative pole
- 2121
- Masseanschlussground connection
- 2222
- erster Versorgungsspannungsanschlussfirst supply voltage connection
- 2323
- LeistungsschaltelementPower switching element
- 2424
- Batteriemanagementsystem (BMS)Battery management system (BMS)
- 25 25
- erste Steuerleitungfirst control line
- 3131
- Masseanschlussground connection
- 3232
- zweiter Versorgungsspannungsanschlusssecond supply voltage connection
- 3333
- erste Schaltungseinrichtungfirst circuit device
- 3434
- Überwachungseinrichtungmonitoring device
- 3535
- zweite Steuerleitungsecond control line
- 3636
- dritte Steuerleitungthird control line
- 3737
- vierte Steuerleitungfourth control line
- 331331
- EingangsspannungskontaktInput voltage Contact
- 332332
- AusgangsspannungskontaktOutput voltage Contact
- 333333
- Signaleingangsignal input
- 334334
- Signalausgangsignal output
- 335335
- Sicherungfuse
- 336336
- Leistungsschalterbreakers
- 337337
- Diodediode
- 33103310
- Leistungs-MOS-TransistorPower MOS transistor
- 33113311
- Messeinrichtungmeasuring device
- 33123312
- Treiberlogikdriver logic
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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