DE102018205412A1

DE102018205412A1 - Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung einer Batterievorrichtung, Batterievorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung

Info

Publication number: DE102018205412A1
Application number: DE102018205412.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Aschenbrenner; Stefan Lauer; Klaus Greger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung einer Batterievorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (1), bei welchem an einem ersten Spannungsabgriff (3) der Batterievorrichtung (2) eine erste Betriebsspannung (20) bereitgestellt wird und an einen zweiten Spannungsabgriff (4) der Batterievorrichtung (2) eine von der ersten Betriebsspannung (20) verschiedene zweite Betriebsspannung (21) bereitgestellt wird, wobei die erste Betriebsspannung (20) durch eine erste Batterieeinheit (16) der Batterievorrichtung (2) und einen zur ersten Batterieeinheit (16) in Reihe geschalteten zweiten Batterieeinheit (17) der Batterievorrichtung (2) bereitgestellt wird und die zweite Betriebsspannung (21) nur durch die erste Batterieeinheit (16) bereitgestellt wird, wobei zur Betriebsspannungsanpassung Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Nennspannung (18) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer von der ersten Nennspannung (18) verschiedenen zweiten Nennspannung (19) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung einer Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug. An einem ersten Spannungsabgriff der Batterie wird eine erste Betriebsspannung bereitgestellt und an einem zweiten Spannungsabgriff der Batterievorrichtung wird ein von der ersten Betriebsspannung verschiedene zweite Betriebsspannung bereitgestellt. Die Erfindung betrifft auch eine Batterievorrichtung, welche dazu ausgebildet ist ein dementsprechendes Verfahren durchzuführen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer dementsprechenden Batterievorrichtung.
Bekannt ist, dass Kraftfahrzeuge Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungen aufweisen. So liegen beispielsweise ein 12V-Bordnetz und ein 48V-Bordnetz vor. Die unterschiedlichen Bordnetzspannungen können dabei beispielsweise durch eine einzige Batterievorrichtung bereitgestellt werden, wobei die Batterievorrichtung zu diesem Zweck einen ersten Spannungsabgriff für die 12 V Spannung und einen zweite Spannungsabgriff für die 48 V Spannung aufweist.
Bekannt ist auch das Problem, dass sich eine Betriebsspannung einer Batterie während des Betriebs, also während einem Entladevorgang oder einem Ladevorgang ändert. Bei einem Entladevorgang fällt die Betriebsspannung der Batterie üblicherweise kontinuierlich ab. Umgekehrt ist es beim Ladevorgang, bei welchem die Betriebsspannung der Batterie kontinuierlich zunimmt.
Nachteilig an bekannten Batterien ist es, dass diese nicht dazu ausgelegt sind, kurzfristig während des Betriebs des Kraftfahrzeugs hinsichtlich der Betriebsspannung unkompliziert angepasst zu werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung einer Batterievorrichtung, und eine Batterievorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung zu schaffen, bei welchem bzw. mit welcher eine Betriebsspannung einer Batterievorrichtung einfacher angepasst werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung, eine Batterievorrichtung und einem Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Betriebsspannung einer Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug angepasst. Es wird an einem ersten Spannungsabgriff der Batterievorrichtung eine erste Betriebsspannung bereitgestellt und es wird an einem zweiten Spannungsabgriff der Batterievorrichtung eine von der ersten Betriebsspannung verschiedene zweite Betriebsspannung bereitgestellt. Die erste Betriebsspannung wird durch eine erste Batterieeinheit der Batterievorrichtung und eine zur ersten Batterieeinheit in Reihe geschalteten zweiten Batterieeinheit der Batterievorrichtung bereitgestellt. Die zweite Betriebsspannung wird nur durch die erste Batterieeinheit bereitgestellt. Als ein wichtiger Gedanke ist es vorgesehen, dass zur Betriebsspannungsanpassung Energie zwischen der ersten Batterieeinheit mit einer ersten Nennspannung und der zweiten Batterieeinheit mit einer von der ersten Nennspannung verschiedenen zweiten Nennspannung übertragen wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Übertragen der Energie zwischen den Batterieeinheiten, die erste Betriebsspannung und/oder die zweite Betriebsspannung gezielt angepasst werden kann.
Da die erste Batterieeinheit und die zweite Batterieeinheit unterschiedliche Nennspannungen aufweisen, unterscheidet sich das Verfahren grundlegen von bekannten Verfahren, welche als Balancing bzw. Ausgleichsregelungsverfahren bekannt sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, die jeweilige Betriebsspannung der Batterievorrichtung gezielt während des Betriebs des Kraftfahrzeugs anzupassen. So ist es beispielsweise möglich, die erste Betriebsspannung während des Betriebs des Kraftfahrzeugs gezielt zu erhöhen oder diese gezielt abzusenken. So kann beispielsweise die erste Batteriespannung spontan abgesenkt werden, falls aufgrund einer Prognose bekannt ist, dass demnächst das Kraftfahrzeug in einem Rekuperationsmodus betrieben wird und die Batterievorrichtung dadurch voraussichtlich aufgeladen wird.
Es kann aber beispielsweise auch sein, dass der Wunsch vorliegt, die erste Betriebsspannung zu erhöhen, weil zukünftig ein Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeugs geplant ist und das Kraftfahrzeug schneller beschleunigen kann, falls einem Elektromotor des Kraftfahrzeugs eine höhere Betriebsspannung zur Verfügung gestellt wird.
Insbesondere ist es vorgesehen, die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit und der zweiten Batterieeinheit über einen Gleichspannungswandler übertragen wird. Dadurch können die Batterieeinheiten mit den unterschiedlichen Nennspannungen einfacher in Reihe geschaltet werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit mit einer ersten Zellchemie und der zweiten Batterieeinheit mit einer von der ersten Zellchemie unterschiedlichen zweiten Zellchemie übertragen wird. Insbesondere weist die erste Batterieeinheit dadurch eine erste Leerlaufspannung-Ladezustandskurve auf und die zweite Batterieeinheit weist dadurch insbesondere ein von der ersten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve unterschiedliche zweite Leerlaufspannung-Ladezustandskurve auf. Durch die jeweilige Leerlaufspannung-Ladezustandskurve wird das Verhältnis zwischen der Betriebsspannung und dem Ladezustand (SOC-State of Charge) beschrieben. Die erste Zellchemie kann beispielsweise als Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid vorliegen. Die zweite Zellchemie kann beispielsweise als Lithium-Eisenphosphat vorliegen. Beide Zellchemien sind vorzugsweise unterschiedlich und haben unterschiedliche Leerlaufspannung-Ladezustandskurven. Die beiden Zellchemien können Lithium-basiert sein. Die Zellchemien, insbesondere die erste Zellchemie, können bzw. kann auch als eine bleibasierte Zellchemie ausgebildet sein. Zur Erhöhung der Betriebsspannung wird dann beispielsweise Energie von der Batterieeinheit mit der flacheren Leerlaufspannung-Ladezustandskurve zu der Batterieeinheit mit der steileren Leerlauf spannung-Ladezustandskurve übertragen. Die Betriebsspannung der Batterievorrichtung kann dadurch gezielt und effektiv während des Betriebs des Kraftfahrzeugs angepasst werden.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit mit einer ersten Kapazität und der zweiten Batterieeinheit mit einer zur ersten Kapazität gleichen zweiten Kapazität übertragen wird. Die Kapazität eine Batterie bzw. eines Akkumulators gibt die Menge an elektrischer Ladung an, die eine Batterie nach der Herstellerangabe liefern bzw. speichern kann.
Zur Absenkung der ersten Betriebsspannung wird dazu beispielsweise aus der ersten Batterieeinheit Ladung entnommen und in die zweite Batterieeinheit geladen, wobei die erste Nennspannung, beispielsweise 12 V, vorzugsweise kleiner als die zweite Nennspannung, beispielsweise 36 V, ist. Dabei ist der Ladestrom der zweiten Batterieeinheit kleiner als der Entladestrom der ersten Batterieeinheit. Demzufolge sinkt die erste Betriebsspannung, welche durch die erste Batterieeinheit und die zweite Batterieeinheit zusammen bereitgestellt wird.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit mit einer ersten Kapazität und der zweiten Batterieeinheit mit einer zur ersten Kapazität höchstens n-Mal größeren zweiten Kapazität übertragen wird, wobei n der Quotient der ersten Nennspannung und der zweiten Nennspannung ist. Vorteilhaft ist, dass durch die unterschiedlich großen Kapazitäten die jeweilige Betriebsspannung gezielt angepasst werden kann.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit mit einer ersten Kapazität und der zweiten Batterieeinheit mit einer zur ersten Kapazität mindestens n-mal kleineren zweiten Kapazität übertragen wird, wobei n der Quotient der ersten Nennspannung und der zweiten Nennspannung ist. Durch die unterschiedlichen Kapazitäten kann die jeweilige Betriebsspannung wiederum gezielt durch Übertragen der Energie zwischen den Batterieeinheiten angepasst werden.
Weiterhin vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Betriebsspannung beim Übertragen der Energie von der ersten Batterieeinheit zur zweiten Batterieeinheit reduziert wird. Durch das gezielte Reduzieren der ersten Betriebsspannung kann die Batterievorrichtung dann effektiver geladen werden.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Betriebsspannung beim Übertragen der Energie von der ersten Batterieeinheit zur zweiten Batterieeinheit erhöht wird. Durch das Erhöhen der ersten Betriebsspannung kann die Batterievorrichtung, insbesondere der erste Spannungsabgriff, effizienter genutzt werden, um einen Elektromotor zu betreiben. So kann das Kraftfahrzeug beispielsweise schneller beschleunigen, wenn die erste Betriebsspannung durch die Übertragung der Energie gezielt erhöht wurde.
Die Erfindung betrifft auch eine Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Die Batterievorrichtung umfasst einen Gleichspannungswandler, einen ersten Spannungsabgriff, einen zweiten Spannungsabgriff, eine erste Batterieeinheit und eine zur ersten Batterieeinheit in Reihenschaltung ausgebildete zweite Batterieeinheit. Der erste Spannungsabgriff ist durch die erste Batterieeinheit und die zweite Batterieeinheit mit einer ersten Betriebsspannung beaufschlagt. Der zweite Spannungsabgriff ist nur durch die erste Batterieeinheit mit einer zweiten Spannung beaufschlagt. Die erste Batterieeinheit weist eine erste Zellchemie und eine erste Kapazität auf. Die zweite Batterieeinheit weist eine zweite Zellchemie und eine zweite Kapazität auf. Als ein wichtiger Gedanke ist es vorgesehen, dass die Batterievorrichtung dazu eingerichtet ist, zur Betriebsspannungsanpassung Energie zwischen der ersten Batterieeinheit mit einer ersten Nennspannung und der zweiten Batterieeinheit mit einer von der ersten Nennspannung verschiedenen zweiten Nennspannung zum Übertragen.
Beispielsweise beträgt die erste Nennspannung 12 V und die zweite Nennspannung beträgt beispielsweise 36 V.
Weiterhin ist der erste Spannungsabgriff beispielsweise mit 48 V beaufschlagt und der zweite Spannungsabgriff ist beispielsweise mit 12 V beaufschlagt.
Durch die Batterievorrichtung kann das Kraftfahrzeug effizienter betrieben werden, da die Batterievorrichtung aufgrund der gezielt anpassbaren Betriebsspannung bzw. Leerlaufspannung effektiver und schneller geladen werden kann sowie auch im Entladefall mehr Leistung bereitstellen kann.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Zellchemie mit einer ersten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve ausgebildet ist und die zweite Zellchemie mit einer von der ersten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve unterschiedlichen zweiten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve ausgebildet ist. Insbesondere unterscheiden sich die Leerlaufspannung-Ladezustandskurven dadurch, dass eine der Leerlaufspannung-Ladezustandskurven zumindest bereichsweise steiler oder flacher als die andere Leerlaufspannung-Ladezustandskurve ausgebildet ist. Durch die unterschiedlichen Leerlaufspannung-Ladezustandskurven kann die erste Betriebsspannung durch das Übertragen von Energie zwischen der ersten Batterieeinheit und der zweiten Batterieeinheit insbesondere dann angepasst werden, wenn die erste Batterieeinheit und die zweite Batterieeinheit die gleiche Kapazität aufweisen.
Die erste Zellchemie kann als Lithium-Eisenphosphat ausgebildet sein. Die zweite Zellchemie kann als Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid ausgebildet sein. Durch diese Ausbildung der Zellchemien kann die Batterievorrichtung mit den unterschiedlichen Leerlaufspannung-Ladezustandskurven in einfacher Weise geschaffen werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung. Bei dem Verfahren wird eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung eines Kraftfahrzeugs betrieben. Es werden folgende Schritte ausgeführt:

- Bestimmen einer zukünftigen Spannungsanpassungssituation des Kraftfahrzeugs;
- Erzeugen eines Steuersignals anhand der Spannungsanpassungssituation; und
- Anpassen einer Betriebsspannung der Batterievorrichtung durch das Steuersignal gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung.

Durch das Steuersignal wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung der Batterievorrichtung dann insbesondere ausgelöst bzw. angestoßen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Batterievorrichtung, kann die Batterievorrichtung schneller geladen werden und eine höhere Betriebsspannung zum Entladen bereitstellen. Durch die höhere Betriebsspannung beim Entladen kann eine elektrische Traktionseinheit des Kraftfahrzeugs beispielsweise mit einer höheren Leistung betrieben werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass als die Spannungsanpassungssituation ein zukünftiger Rekuperationszustand bestimmt wird und die Betriebsspannung reduziert wird. Durch das gezielte Reduzieren der Betriebsspannung vor dem Auftreten des Rekuperationszustands wird die Batterievorrichtung durch das Reduzieren der Betriebsspannung in einen Zustand gebracht, in welchem die beim Rekuperationszustand anfallende elektrische Energie schneller und effizienter durch die Batterievorrichtung aufgenommen werden kann. Im Rekuperationszustand wird insbesondere kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt. Der Rekuperationszustand kann beispielsweise vorliegen, wenn ein Fahrbahngefälle vorliegt und das bergabfahrende Kraftfahrzeug durch den Elektromotor leicht gebremst wird.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass als die Spannungsanpassungssituation eine zukünftige sportliche Fahrweise und/oder eine zukünftige kurve Strecke und/oder ein zukünftiger elektrischer Klimatisierungsbedarf und/oder ein zukünftiger elektrischer Heizbedarf bestimmt wird und die Betriebsspannung erhöht wird. Durch die erhöhte Betriebsspannung kann ein Verbraucher des Kraftfahrzeugs mehr Leistung erzeugen. So kann eine elektrische Traktionseinheit des Kraftfahrzeugs mehr Leistung bereitstellen, welche beispielsweise bei der zukünftigen sportlichen Fahrweise und/oder der zukünftigen kurvigen Strecke vorteilhaft ist. Weiterhin kann beispielsweise auch ein elektrischer Klimakompressor und/oder ein elektrisches Heizelement mehr Leistung bereitstellen, wenn die Betriebsspannung erhöht wird.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass als die Betriebsspannung eine erste Betriebsspannung der Batterievorrichtung, welche größer als eine zweite Betriebsspannung der Batterievorrichtung ist, angepasst wird. Die erste Betriebsspannung, welche sich aus den Direktbetriebsspannungen der ersten Batterieeinheit und der dazu in Reihe geschalteten zweiten Betriebseinheit zusammensetzt, liegt beispielsweise mit 48 V vor. Die zweite Betriebsspannung, welche sich insbesondere nur aus der Direktbetriebsspannung der ersten Batterieeinheit ergibt, liegt insbesondere mit 12 V vor.
Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Betriebsspannungsanpassung sind als vorteilhafte Ausführungen der Batterievorrichtung und des Verfahrens zum Betreiben der Batterievorrichtung anzusehen. Die gegenständlichen Komponenten der Batterievorrichtung sind jeweils dazu ausgebildet, die jeweiligen Verfahrensschritte durchzuführen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung;
2 eine schematische Darstellung der Anordnung der Batterievorrichtung im Kraftfahrzeug;
3 eine schematische Darstellung der Batterievorrichtung mit einer ersten Batterieeinheit und einer zweiten Batterieeinheit; und
4 eine diagrammartige Darstellung von zwei Leerlaufspannung-Ladezustandskurven.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine schematische Draufsichtdarstellung eines Kraftfahrzeugs 1 gezeigt, welches eine Batterievorrichtung 2 aufweist.
2 zeigt beispielhaft die Anordnung der Batterievorrichtung 2 im Kraftfahrzeug 1. Die Batterievorrichtung 2 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel einen ersten Spannungsabgriff 3, einen zweiten Spannungsabgriff 4 und einen Masseanschluss 5 auf. Weiterhin weist die Batterievorrichtung 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel auch einen Gleichspannungswandler 6 auf.
Durch den ersten Spannungsabgriff 3 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Nennspannung von 48 V bereitgestellt. Durch den zweiten Spannungsabgriff 4 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Nennspannung von 12 V bereitgestellt. Der zweite Spannungsabgriff 4 ist mit einem 12 V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Der erste Spannungsabgriff 3 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel mit einem 48 V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 verbunden.
Das 48V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel einen Klimakompressor 7, einen Inverter 8 und einen Riemenstartergenerator 9 auf. Der Riemenstartergenerator 9 ist über einen Riemen 10 mit einem Verbrennungsmotor 11 verbunden. Der Verbrennungsmotor 11 wiederum ist mit einer Kupplung 12, einem Getriebe 13 und einem Rad 14 verbunden. Das 48V-Bordnetz kann auch einen Inline-Starter-Generator (ISG) aufweisen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Batterievorrichtung 2. Die Batterievorrichtung 2 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Batteriegehäuse 15 auf. Weiterhin weist die Batterievorrichtung 2 den ersten Spannungsabgriff 3, den zweiten Spannungsabgriff 4, den Masseanschluss 5 und den Gleichspannungswandler 6 auf.
Weiterhin weist die Batterievorrichtung 2 eine erste Batterieeinheit 16 und eine zweite Batterieeinheit 17 auf. Die erste Batterieeinheit 16 weist eine erste Nennspannung 18 auf. Die zweite Batterieeinheit 17 weist eine zweite Nennspannung 19 auf.
Die erste Nennspannung 18 beträgt gemäß dem Ausführungsbeispiel 12 V. Die zweite Nennspannung 19 beträgt gemäß dem Ausführungsbeispiel 36 V.
Am ersten Spannungsabgriff 3 liegt eine erste Betriebsspannung 20 an. Die erste Betriebsspannung 20 ergibt sich aus der Reihenschaltung der ersten Batterieeinheit 16 und der zweiten Batterieeinheit 17. Der ersten Betriebsspannung 20 liegt folglich eine Nennspannung von 48 V zu Grunde.
Die erste Betriebsspannung 20 bezieht sich auf ein Bezugspotential, insbesondere dem Masseanschluss 5.
Am zweiten Spannungsabgriff 4 liegt eine zweite Betriebsspannung 21 an. Die zweite Betriebsspannung 21 wird nur durch die erste Batterieeinheit 16 und nicht durch die zweite Batterieeinheit 17 bereitgestellt. Der zweiten Betriebsspannung 21 liegt folglich eine Nennspannung von 12 V zu Grunde.
Die zweite Betriebsspannung 21 bezieht sich auf ein Bezugspotential, insbesondere dem Masseanschluss 5.
Die Batterievorrichtung 2 weist weiterhin eine erste Sicherung 22 und einen ersten Schalter 23 jeweils für den zweiten Spannungsabgriff 4 auf. Weiterhin weist die Batterievorrichtung 2 eine zweite Sicherung 24 und einen zweiten Schalter 25 jeweils für den ersten Spannungsabgriff 3 auf.
Ferner weist die Batterievorrichtung 2 eine Batteriesteuerungseinheit 26 auf. Durch die Batteriesteuerungseinheit 26 wird insbesondere das Batteriemanagement der Batterievorrichtung 2 durchgeführt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die erste Batterieeinheit 16 eine erste Zellchemie 27 auf. Die erste Zellchemie 27 ist vorzugsweise als Lithium-Eisenphosphat ausgebildet. Die zweite Batterieeinheit 17 weist eine zweite Zellchemie 28 auf. Die zweite Zellchemie 28 ist vorzugsweise als Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid ausgebildet.
Die erste Batterieeinheit 16 weist eine erste Kapazität 34 auf und die zweite Batterieeinheit 17 weist eine zweite Kapazität 35 auf.
4 zeigt ein Diagramm 29 mit einer Abszisse 30 und einer Ordinate 31. Auf der Abszisse 30 ist ein Ladezustand (SOC - State of Charge) in Prozent angetragen. Auf der Ordinate 31 eine Betriebsspannung bzw. eine Leerlaufspannung in V angetragen.
Das Diagramm 29 zeigt eine erste Leerlaufspannung-Ladezustandskurve 32 der ersten Zellchemie 27 und eine zweite Leerlaufspannung-Ladezustandskurve 33 der zweiten Zellchemie 28.
Durch die unterschiedlichen Zellchemien der ersten Batterieeinheit 16 und der zweiten Batterieeinheit 17 kann die erste Batterieeinheit 16 und die zweite Batterieeinheit 17 mit der gleichen Kapazität ausgebildet sein und das Übertragen von Energie zwischen der ersten Batterieeinheit 16 und der zweiten Batterieeinheit 17 führt zu einer Betriebsspannungsanpassung. Die Betriebsspannungsanpassung erfolgt dadurch, dass die beiden Leerlaufspannung-Ladezustandskurven 32, 33 eine unterschiedliche Steigung aufweisen.
In 4 ist die Leerlaufspannung beispielhaft für jeweils 4 Zellen in Serie für die Zellchemien Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid und Lithium-Eisenphosphat abgebildet. Die zweite Batterieeinheit 17 mit 36 V weist vorzugsweise 8 oder 9 Zellen in Serie auf und würde dann eine etwa um den Faktor 2 größere Spannung aufweisen als dies im Diagramm 29 gezeigt ist.
Alternativ kann die Batterievorrichtung 2 auch die erste Batterieeinheit 16 und die zweite Batterieeinheit 17 derart aufweisen, dass die erste Zellchemie 27 und die zweite Zellchemie 28 gleich ausgebildet sind. So kann die erste Zellchemie 27 und die zweite Zellchemie 28 beispielsweise jeweils aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid ausgebildet sein. Für diesen Fall ist es vorgesehen, dass die erste Batterieeinheit 16 und die zweite Batterieeinheit 17 die gleiche Kapazität aufweisen oder die Kapazität 34 der ersten Batterieeinheit 16 maximal um den Faktor 3 größer ist als die Kapazität 35 der zweiten Batterieeinheit 17. So kann die Kapazität 34 der ersten Batterieeinheit 16 beispielsweise 20 Ah betragen und die Kapazität 35 der zweiten Batterieeinheit 17 kann dann beispielsweise 10 Ah betragen. Das vorgegebene Verhältnis der Kapazitäten 34, 35 der Batterieeinheiten 16, 17 führt auch dazu (ergänzend oder alternativ zu dem Aspekt der unterschiedlichen Leerlaufspannung-Ladezustandskurven 32, 33), dass das Übertragen von Energie zwischen der ersten Batterieeinheit 16 und der zweiten Batterieeinheit 17 zur Anpassung der Betriebsspannung führt.
Wird beispielsweise Energie von der ersten Batterieeinheit 16 zur zweiten Batterieeinheit 17 übertragen, so wird die erste Betriebsspannung 20 am ersten Spannungsabgriff 3 reduziert. Wird beispielsweise aber Energie von der zweiten Batterieeinheit 17 zur ersten Batterieeinheit 16 übertragen, so wird die erste Betriebsspannung 20 am ersten Spannungsabgriff 3 erhöht.
Ebenfalls alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, dass die Kapazität 34 der ersten Batterieeinheit 16 mehr als den Faktor 3 größer ist als die Kapazität 35 in der zweiten Batterieeinheit 17. So kann die Kapazität 34 in der ersten Batterieeinheit 16 beispielsweise 40 Ah betragen und die Kapazität 35 in der zweiten Batterieeinheit 17 kann beispielsweise 10 Ah betragen. Durch das Übertragen von Energie von der zweiten Batterieeinheit 17 zur ersten Batterieeinheit 16 wird die erste Betriebsspannung 20 reduziert. Wird allerdings Energie von der ersten Batterieeinheit 16 zur zweiten Batterieeinheit 17 übertragen, so wird die erste Betriebsspannung 20 erhöht.
Im Fall der unterschiedlichen Zellchemien ist es insbesondere vorgesehen, dass die Kapazität 34 der ersten Batterieeinheit 16 und die Kapazität 35 der zweiten Batterieeinheit 17 gleich ist. Wird Energie von der zweiten Batterieeinheit 17 zur ersten Batterieeinheit 16 übertragen, so wird die erste Betriebsspannung 20 reduziert. Wird hingegen Energie von der ersten Batterieeinheit 16 zur zweiten Batterieeinheit 17 übertragen, so wird die erste Betriebsspannung 20 erhöht.
Vorteilhaft ist das Anpassen der Betriebsspannung beim Betrieb des Kraftfahrzeugs 1. So sind verschiedene Batteriebetriebsstrategien zur Spannungsleveloptimierung in Verbindung mit prädiktiven Funktionen, insbesondere Informationen über Verkehrslage, Routeninformationen, beispielsweise über ein Rechnernetzwerk im Internet oder lokale Daten im Kraftfahrzeug 1 vorgesehen.
Es kann beispielsweise anhand von Kartendaten im Kraftfahrzeug erkannt werden, dass in 100 m ein Gefälle folgt, während dem das Kraftfahrzeug 1 rekuperieren kann und Strom in die Batterievorrichtung 2 eingespeist wird. Es wird dann ein Steuersignal ausgegeben und die erste Betriebsspannung 20 wird abgesenkt.
Ebenso kann dieses Prinzip genutzt werden, wenn durch Prädiktion erkannt wird, dass in naher Zukunft der Verbrennungsmotor 11 durch den Riemenstartergenerator 9 unterstütz werden soll oder rein elektrisch mit dem Riemenstartergenerator 9 gefahren werden soll. Dazu wird im Vorhinein die erste Betriebsspannung 20 gezielt angehoben.
Durch das Absenken oder Anheben der jeweiligen Betriebsspannung der Batterieeinrichtung 2 kann auch die Batterielebensdauer erhöht werden.
Weiterhin kann die jeweilige Betriebsspannung vor oder nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs angehoben werden, um auf einen vorhersehbaren Tieftemperaturstart vorbereitet zu sein.
Ein weiterer Vorteil ist, dass vorgegebene Spannungsgrenzen im 12V-Bordnetz und/oder im 48V-Bordnetz durch das Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung eingehalten werden können.
Wird beispielsweise der 48V-Spannungsabgriff mit einem hohen Ladestrom belastet (Rekuperation) dann erhöht sich die Klemmenspannung (aufgrund der temporären Spannungsabfälle über den Innenwiderständen der einzelnen Zellen).
Ist zum Beispiel der gesamte Ladezustand der Batterie hoch, weist die gesamte Batterie am 48V-Spannungsabgriff eine hohe Klemmenspannung bzw. Betriebsspannung auf, beispielsweise 51 V. Wird dann durch Laden der Batterie diese Spannung beispielsweise um 4 V erhöht, dann wird eine vorgegebene Spannungsgrenze von 54 V überschritten. Das kann unerwünscht sein und der Ladestrom müsste reduziert werden. Durch gezieltes umverteilen der Energie auf die 12V-Batterieeinheit im Vorhinein kann dieser Fall verhindert werden und es kann mit maximaler Leistung rekuperiert werden.
Das gleiche kann bei niedrigem Ladzustand und Entladen der Batterie möglich sein, z.B. im elektrischen Motorbetrieb. Der Entladestrom führt zu einem (temporären) Absenken der Klemmenspannung. Durch die Erhöhung der Betriebsspannung gemäß dem Verfahren kann auch eine Mindestspannungsgrenze der jeweiligen Batterieeinheit 16, 17 eingehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Batterievorrichtung
3: erster Spannungsabgriff
4: zweiter Spannungsabgriff
5: Masseanschluss
6: Gleichspannungswandler
7: Klimakompressor
8: Inverter
9: Riemenstartergenerator
10: Riemen
11: Verbrennungsmotor
12: Kupplung
13: Getriebe
14: Draht
15: Batteriegehäuse
16: erste Batterieeinheit
17: zweite Batterieeinheit
18: erste Nennspannung
19: zweite Nennspannung
20: erste Betriebsspannung
21: zweite Betriebsspannung
22: erste Sicherung
23: erster Schalter
24: zweite Sicherung
25: zweiter Schalter
26: Batteriesteuerungseinheit
27: erste Zellchemie
28: zweite Zellchemie
29: Diagramm
30: Abszisse
31: Ordinate
32: erste Leerlaufspannung-Ladezustandskurve
33: zweite Leerlaufspannung-Ladezustandskurve
34: erste Kapazität
35: zweite Kapazität

Claims

Verfahren zur Betriebsspannungsanpassung einer Batterievorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (1), bei welchem an einem ersten Spannungsabgriff (3) der Batterievorrichtung (2) eine erste Betriebsspannung (20) bereitgestellt wird und an einem zweiten Spannungsabgriff (4) der Batterievorrichtung (2) eine von der ersten Betriebsspannung (20) verschiedene zweite Betriebsspannung (21) bereitgestellt wird, wobei die erste Betriebsspannung (20) durch eine erste Batterieeinheit (16) der Batterievorrichtung (2) und eine zur ersten Batterieeinheit (16) in Reihe geschalteten zweiten Batterieeinheit (17) der Batterievorrichtung (2) bereitgestellt wird und die zweite Betriebsspannung (21) nur durch die erste Batterieeinheit (16) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betriebsspannungsanpassung Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Nennspannung (18) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer von der ersten Nennspannung (18) verschiedenen zweiten Nennspannung (19) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Zellchemie (27) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer von der ersten Zellchemie (27) unterschiedlichen zweiten Zellchemie (28) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Kapazität (34) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer zur ersten Kapazität (34) gleichen zweiten Kapazität (35) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Kapazität (34) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer zur ersten Kapazität (34) höchstens n-mal größeren zweiten Kapazität (35) übertragen wird, wobei n der Quotient der ersten Nennspannung (18) und der zweiten Nennspannung (19) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betriebsspannungsanpassung die Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Kapazität (34) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer zur ersten Kapazität (34) mindestens n-mal kleineren zweiten Kapazität (35) übertragen wird, wobei n de Quotient der ersten Nennspannung (18) und der zweiten Nennspannung (19) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsspannung (20) beim Übertragen der Energie von der ersten Batterieeinheit (16) zur zweiten Batterieeinheit (17) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsspannung (20) beim Übertragen der Energie von der ersten Batterieeinheit (16) zur zweiten Batterieeinheit (17) erhöht wird.
Batterievorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einem Gleichspannungswandler (6), einem ersten Spannungsabgriff (3), einem zweiten Spannungsabgriff (4), einer ersten Batterieeinheit (16) und einer zur ersten Batterieeinheit (16) in Reihenschaltung ausgebildeten zweiten Batterieeinheit (17), wobei der erste Spannungsabgriff (3) durch die erste Batterieeinheit (16) und die zweite Batterieeinheit (17) mit einer ersten Betriebsspannung (20) beaufschlagt ist, und der zweite Spannungsabgriff (4) nur durch die erste Batterieeinheit (16) mit einer zweiten Betriebsspannung (21) beaufschlagt ist, wobei die erste Batterieeinheit (16) eine erste Zellchemie (27) und eine erste Kapazität (34) aufweist, und die zweite Batterieeinheit (17) eine zweite Zellchemie (28) und eine zweite Kapazität (35) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterievorrichtung (2) dazu eingerichtet ist, zur Betriebsspannungsanpassung Energie zwischen der ersten Batterieeinheit (16) mit einer ersten Nennspannung (18) und der zweiten Batterieeinheit (17) mit einer von der ersten Nennspannung (18) verschiedenen zweiten Nennspannung (19) zu übertragen.
Batterievorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zellchemie (27) mit einer ersten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve (32) ausgebildet ist und die zweite Zellchemie (28) mit einer von der ersten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve (32) unterschiedlichen zweiten Leerlaufspannung-Ladezustandskurve (33) ausgebildet ist.
Batterievorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zellchemie (27) als Lithium-Eisenphosphat ausgebildet ist und die zweite Zellchemie (28) als Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung (2) eines Kraftfahrzeugs (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 mit folgenden Schritten: - Bestimmen einer zukünftigen Spannungsanpassungssituation des Kraftfahrzeugs (1); - Erzeugen eines Steuersignals anhand der Spannungsanpassungssituation; und - Anpassen einer Betriebsspannung (20, 21) der Batterievorrichtung (2) anhand des Steuersignals gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als die Spannungsanpassungssituation ein zukünftiger Rekuperationszustand bestimmt wird und die Betriebsspannung (20, 21) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als die Spannungsanpassungssituation eine zukünftige sportliche Fahrweise und/oder eine zukünftige kurvige Strecke und/oder ein zukünftiger elektrischer Klimatisierungsbedarf und/oder ein zukünftiger elektrischer Heizbedarf bestimmt wird und die Betriebsspannung (20 ,21) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als die Betriebsspannung eine erste Betriebsspannung (20) der Batterievorrichtung (2), welche größer als eine zweite Betriebsspannung (21) der Batterievorrichtung (2) ist, angepasst wird.