DE102019124369A1

DE102019124369A1 - Circuit arrangement for connecting two different voltage networks

Info

Publication number: DE102019124369A1
Application number: DE102019124369.6A
Authority: DE
Inventors: Bastian Blömeke; Michael Moth
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verbinden von zwei unterschiedlichen Spannungsnetzen mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus von denen eines höher als das andere ist, aufweisend einen Generator, eine Steuerung, eine Mehrzahl von Batteriemodulen, einen DC/DC-Wandler, eine Mehrzahl von ersten und zweiten Schaltelementen, dadurch gekennzeichnet, dass- der Generator an eines der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze angeschlossen ist,- die Steuerung dazu ausgebildet ist, die zweiten Schaltelemente anzusteuern, so dass bei Temperaturen unterhalb eines festgelegten Schwellwertes eine Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze über den Generator und den DC/DC-Wandler erfolgt und bei Temperaturen oberhalb dieses Schwellwertes eine Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze über die Batteriemodule erfolgt,- die Steuerung dazu ausgebildet ist, die ersten Schaltelemente anzusteuern, so dass die Batteriemodule durch Serien- oder Parallelschaltung verbindbar sind, um die zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus der zwei Spannungsnetze bereitzustellen, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement for connecting two different voltage networks with two different voltage levels, one of which is higher than the other, comprising a generator, a controller, a plurality of battery modules, a DC / DC converter, a plurality of first and second switching elements , characterized in that - the generator is connected to one of the two different voltage networks, - the controller is designed to control the second switching elements, so that at temperatures below a specified threshold value, the two different voltage networks are supplied via the generator and the DC / DC converter takes place and the two different voltage networks are supplied via the battery modules at temperatures above this threshold value, - the controller is designed to control the first switching elements so that the battery modules are connected by series or parallel connection are bar to provide the two different voltage levels of the two voltage networks, as well as a method for operating a circuit arrangement according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verbinden von zwei unterschiedlichen Spannungsnetzen mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus von denen eines höher als das andere ist, aufweisend einen Generator, eine Steuerung, eine Mehrzahl von Batteriemodulen, einen DC/DC-Wandler und eine Mehrzahl von ersten und zweiten Schaltelementen, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement for connecting two different voltage networks with two different voltage levels, one of which is higher than the other, comprising a generator, a controller, a plurality of battery modules, a DC / DC converter and a plurality of first and second switching elements , and a method for operating the circuit arrangement.

Energieeffizienz und Elektrifizierung erlangen in allen Bereichen der Wirtschaft wachsende Bedeutung. Insbesondere in der Automobilindustrie werden Weiterentwicklungen in diesen Bereichen intensiviert. Durch die wachsenden Anforderungen an die Umweltverträglichkeit, besonders eines sinkenden CO₂-Ausstoßes, gewinnt die Elektromobilität an immer größerer Bedeutung.Energy efficiency and electrification are becoming increasingly important in all areas of the economy. In the automotive industry in particular, further developments in these areas are being intensified. Due to the growing demands on environmental compatibility, especially decreasing CO ₂ emissions, electromobility is becoming increasingly important.

Neben den rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen gewinnen Hybrid-Antriebe oder Mild-Hybrid-Antriebe an Bedeutung. Die Besonderheit der Mild-Hybridfahrzeuge besteht darin, dass diese nicht vollelektrisch gefahren werden können. Der Verbrennungsmotor wird lediglich von einem Elektromotor unterstützt. Das System wird automatisch durch das Bremssystem beim Ausrollen und Bremsen aufgeladen.In addition to purely electrically powered vehicles, hybrid drives or mild hybrid drives are gaining in importance. The specialty of the mild hybrid vehicles is that they cannot be driven fully electrically. The internal combustion engine is only supported by an electric motor. The system is automatically charged by the braking system when coasting and braking.

Durch die immer größer werdende Anzahl an elektrischen Verbrauchern innerhalb eines Fahrzeugs, setzen sich zunehmend Systeme durch, die nicht ausschließlich bei der üblichen 12V Bordnetzspannung betrieben werden, sondern daneben noch ein Spannungsnetz mit einem höheren Spannungsniveau aufweisen, welches üblicherweise unterhalb der 60V Gleichspannungsgrenze für Hochvoltsysteme liegt. Hierdurch ist es möglich ein Vielfaches an Leistung bei gleichbleibenden Leiterquerschnitten zu übertragen.Due to the increasing number of electrical consumers within a vehicle, systems that are not only operated with the usual 12V on-board voltage, but also have a voltage network with a higher voltage level, which is usually below the 60V DC voltage limit for high-voltage systems, are increasingly gaining acceptance . This makes it possible to transmit a multiple of the power with the same conductor cross-section.

Bei Fahrzeugen mit einer Mehrzahl von Spannungsniveaus ist es momentan erforderlich durch eine komplexe System-Architektur einen Austausch zwischen den unterschiedlichen Spannungsnetzen zu ermöglichen. Es ist wünschenswert den System-Wirkungsgrad zu maximieren und eine kostensparende Bauweise zu erreichen. Weiterhin soll das Ziel einer Verringerung von umweltschädlichen Stoffen im Vergleich zu heute üblichen Antrieben mit Verbrennungsmotor erreicht werden.In vehicles with a plurality of voltage levels, it is currently necessary to use a complex system architecture to enable an exchange between the different voltage networks. It is desirable to maximize system efficiency and achieve a cost-saving design. Furthermore, the aim is to achieve a reduction in environmentally harmful substances compared to drives with internal combustion engines that are customary today.

An diesem Punkt setzt die Erfindung an.This is where the invention begins.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung zum Verbinden von zwei unterschiedlichen Spannungsnetzen mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus von denen eines höher als das andere ist vorzuschlagen, aufweisend einen Generator, eine Steuerung, eine Mehrzahl von Batteriemodulen, einen DC/DC-Wandler, eine Mehrzahl von ersten und zweiten Schaltelementen, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Generator an eines der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze angeschlossen ist,
- die Steuerung dazu ausgebildet ist, die zweiten Schaltelemente anzusteuern, so dass bei Temperaturen unterhalb eines festgelegten Schwellwertes eine Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze über den Generator und den DC/DC-Wandler erfolgt und bei Temperaturen oberhalb dieses Schwellwertes eine Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze über die Batteriemodule erfolgt,
- die Steuerung dazu ausgebildet ist, die ersten Schaltelemente anzusteuern, so dass die Batteriemodule durch Serien- oder Parallelschaltung verbindbar sind, um die zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus der zwei Spannungsnetze bereitzustellen.

The object of the present invention is to propose a circuit arrangement for connecting two different voltage networks with two different voltage levels, one of which is higher than the other, comprising a generator, a controller, a plurality of battery modules, a DC / DC converter, a plurality of first and second switching elements, characterized in that

- the generator is connected to one of the two different voltage networks,
- The controller is designed to control the second switching elements so that the two different voltage networks are supplied via the generator and the DC / DC converter at temperatures below a specified threshold value and the two different voltage networks are supplied via the two different voltage networks at temperatures above this threshold value the battery modules takes place,
the controller is designed to control the first switching elements so that the battery modules can be connected by series or parallel connection in order to provide the two different voltage levels of the two voltage networks.

Durch die Nutzung von Batteriemodulen ist es nicht erforderlich, wie im Stand der Technik bekannt, getrennte Batterien für jedes Spannungsnetz zu verwenden. Durch eine geeignete Verschaltung der Batteriemodule in Serien- und/oder Parallelschaltung werden die benötigten Spannungsniveaus bereitgestellt. Somit wird eine größtmögliche Flexibilität unterschiedlicher Spannungsniveaus erreicht. Es ist ebenfalls möglich, dass die Versorgung der Spannungsnetze über die Batteriemodule und den DC/DC-Wandler erfolgt.By using battery modules, it is not necessary, as is known in the prior art, to use separate batteries for each voltage network. The required voltage levels are provided by suitable connection of the battery modules in series and / or parallel connection. In this way, the greatest possible flexibility of different voltage levels is achieved. It is also possible for the voltage networks to be supplied via the battery modules and the DC / DC converter.

Im Vergleich zu üblichen Systemen auf dem Markt, die eine 12V Bleibatterie mit einem 48V/12V DC/DC-Wandler und einer 48V Lithium-Ionen-Batterie kombinieren, besteht der Vorteil der Erfindung in einer Bauraumeinsparung einer zweiten Batterie und der damit einhergehenden Gewichtseinsparung. Ein weiterer Vorteil ist die Bereitstellung des Systems aus einer Hand.Compared to conventional systems on the market that combine a 12V lead-acid battery with a 48V / 12V DC / DC converter and a 48V lithium-ion battery, the advantage of the invention is a space saving of a second battery and the associated weight saving. Another advantage is the provision of the system from a single source.

Die Steuerung ermöglicht bei Temperaturen unterhalb des Schwellwertes den Energietransfer zwischen den Bordnetzen, wobei ein Betrieb der Batteriemodule vermieden wird. Der Energiebedarf der Spannungsnetze wird so geregelt, dass der Generator den Bedarf decken kann. Oberhalb des Schwellwertes kontrolliert die Steuerung den Energietransfer zwischen den Bordnetzen und den Batteriemodulen, wobei die Leistung des Generators stark gedrosselt werden kann.The control enables the transfer of energy between the on-board networks at temperatures below the threshold value, avoiding operation of the battery modules. The energy demand of the voltage networks is regulated in such a way that the generator can meet the demand. Above the threshold value, the controller controls the energy transfer between the vehicle electrical system and the battery modules, whereby the output of the generator can be greatly reduced.

Der Schwellwert kann ein im Vorhinein vorgegebener Wert sein. Auch besteht die Möglichkeit, den Schwellwert kontinuierlich anzupassen, anhängig von anderen Faktoren, wie die übliche Fahrweise des Fahrzeugs, die durchschnittliche Streckenlänge, usw. Andere als die angegeben Faktoren können natürlich ebenfalls ausgewählt werden. Weitere Methoden zur Bestimmung des Schwellwertes sind ohne weiteres denkbar.The threshold value can be a value specified in advance. There is also the possibility of continuously adapting the threshold value, depending on other factors, such as the usual one Driving style of the vehicle, the average distance, etc. Other factors than those specified can of course also be selected. Further methods for determining the threshold value are easily conceivable.

Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Batteriemodule mit dem Spannungsnetz mit dem hohen Spannungsniveau verbindbar sind und mindestens eines der Batteriemodule zusätzlich mit dem Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau verbindbar ist.It can be provided that the battery modules can be connected to the voltage network with the high voltage level and at least one of the battery modules can also be connected to the voltage network with the low voltage level.

Alternativ kann es vorgesehen sein, dass ein Batteriemodul mit dem Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau verbindbar ist und die übrigen Batteriemodule mit dem Spannungsnetz mit dem hohen Spannungsniveau verbindbar sind.Alternatively, it can be provided that a battery module can be connected to the voltage network with the low voltage level and the remaining battery modules can be connected to the voltage network with the high voltage level.

Wird ein Batteriemodul mit dem Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau gekoppelt, erhöht sich der regelungstechnische Aufwand durch die Wechselwirkung der beiden Spannungsnetze untereinander. Wird auf eine Kopplung der Spannungsnetze verzichtet, erhöhen sich die Kosten durch den Einsatz eines zusätzlichen Batteriemoduls. Beide Varianten erreichen ohne Einschränkung das gleiche erfinderische Ziel einer flexiblen Versorgung von zwei unterschiedlichen Spannungsnetzen.If a battery module is coupled to the voltage network with the low voltage level, the control effort increases due to the interaction of the two voltage networks with one another. If the voltage networks are not coupled, the costs increase due to the use of an additional battery module. Both variants achieve the same inventive goal of a flexible supply of two different voltage networks without restriction.

Vorteilhafterweise besteht die Möglichkeit, dass die beiden unterschiedlichen Spannungsnetze ein Spannungsniveau von 12V und ein Spannungsniveau von 48V Spannungsnetz aufweisen.There is advantageously the possibility that the two different voltage networks have a voltage level of 12V and a voltage level of 48V voltage network.

Es kann vorgesehen sein, dass der Generator ein Riemen-/Startergenerator ist. Es besteht die Möglichkeit, dass der Riemen/Startergenerator sowohl in das Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau eingebunden ist als auch in das Spannungsnetz mit dem hohem Spannungsniveau. Üblicherweise wird es vorgesehen sein, dass der Riemen/Startergenerator als Ersatz des 12V Generators in alten Systemen eingesetzt wird und in das Spannungsnetz mit dem hohem Spannungsniveau eingebunden wird. Prinzipiell sind alle einspeisenden Systeme, wie Wankstabilisierung, Retarder, aber auch konventionelle Generatoren als Energiequelle möglich. It can be provided that the generator is a belt / starter generator. There is the possibility that the belt / starter generator is integrated both in the voltage network with the low voltage level and in the voltage network with the high voltage level. Usually it will be provided that the belt / starter generator is used as a replacement for the 12V generator in old systems and is integrated into the voltage network with the high voltage level. In principle, all feeding systems such as roll stabilization, retarders, but also conventional generators are possible as an energy source.

Hierbei vereint ein Riemen/Startergenerator die Funktionen von Anlasser und Lichtmaschine in einer einzigen elektrischen Maschine. Er kann damit sowohl den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs beschleunigen (Startbetrieb), als auch bei laufendem Motor elektrischen Strom erzeugen (Generatorbetrieb).A belt / starter generator combines the functions of starter and alternator in a single electrical machine. It can both accelerate the internal combustion engine of a motor vehicle (start mode) and generate electricity when the engine is running (generator mode).

Durch die Verwendung eines Riemen/Startergenerators kann Energie gespart werden, indem beim Abbremsen des Fahrzeugs elektrische Energie in die Batteriemodule zurückgespeist wird und diese Energie später verwendet wird, um den Verbrennungsmotor zu unterstützen. Durch die Verwendung eines 48V Spannungsnetzes ist es möglich bis zu viermal so viel Energie zurückzugewinnen, wie bei einem herkömmlichen 12V Spannungsnetz mit dazugehöriger Batterie.By using a belt / starter generator, energy can be saved by feeding electrical energy back into the battery modules when the vehicle is braked and this energy is later used to support the internal combustion engine. By using a 48V voltage network, it is possible to recover up to four times as much energy as with a conventional 12V voltage network with the associated battery.

Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Batteriemodule aus Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut sind. Lithium-Ionen-Zellen werden als Standardprodukte am Markt angeboten und bieten so den Vorteil kostengünstig zu sein. Werden die zwei unterschiedlichen Spannungsnetze durch galvanisch getrennte Batteriemodule versorgt, ist der Einsatz unterschiedlicher Lithium-Ionen-Zellen möglich.Furthermore, it can be provided that the battery modules are made up of lithium-ion cells. Lithium-ion cells are offered as standard products on the market and thus offer the advantage of being inexpensive. If the two different voltage networks are supplied by galvanically separated battery modules, the use of different lithium-ion cells is possible.

Bei kalten Außentemperaturen oder einem geringen Ladezustand der Batteriemodule werden die Spannungsnetze über den Generator und den DC/DC-Wandler versorgt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Schwellwert zur Versorgung der unterschiedlichen Spannungsnetze bei 5°C liegt.When the outside temperature is cold or the battery modules are in a low state of charge, the voltage networks are supplied via the generator and the DC / DC converter. It can be provided that the threshold value for supplying the different voltage networks is 5 ° C.

Um Betriebskosten zu sparen, wird angestrebt, den Generator möglichst häufig durch die Steuerung von der Versorgung der Spannungsnetze abzutrennen und durch eine Versorgung mit den Batteriemodulen zu ersetzen.In order to save operating costs, the aim is to separate the generator as often as possible from the supply of the voltage networks by means of the control and to replace it with a supply from the battery modules.

Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Batteriemodule bei einem Ladezustand in einem Bereich von 30% bis 100% der Ladekapazität der Batteriemodule, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 80% zur Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze nutzbar sind.It can be provided here that the battery modules can be used to supply the two different voltage networks with a charge state in a range from 30% to 100% of the charge capacity of the battery modules, preferably in a range from 50% to 80%.

Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Batteriemodule in einem Temperaturbereich der Batteriezellen von 0°C bis 55°C, vorzugsweise in einem Bereiche von 20°C bis 35°C zur Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze nutzbar sind.In addition, it can be provided that the battery modules can be used in a temperature range of the battery cells from 0 ° C. to 55 ° C., preferably in a range from 20 ° C. to 35 ° C., to supply the two different voltage networks.

Durch die Steuerung der Versorgung der Spannungsnetze ist es möglich, die Batteriemodule als Lithium-Ionen-Zellen auszuführen, welche den Nachteil haben, ab einem bestimmten Temperaturniveau nur begrenzt ladefähig zu sein. In diesem Fall übernimmt der Generator über den DC/DC-Wandler die Versorgung. Sobald die Voraussetzungen eintreten, dass eine Versorgung der Spannungsnetze über die Batteriemodule erfolgen kann, wird durch die Steuerung die Versorgung umgestellt. So können die Betriebskosten minimiert werden, da der Generator nicht unnötig über den Antriebsstrang betrieben wird und Energie, also Kraftstoff, verbraucht.By controlling the supply of the voltage networks, it is possible to design the battery modules as lithium-ion cells, which have the disadvantage of only being able to be charged to a limited extent above a certain temperature level. In this case, the generator takes over the supply via the DC / DC converter. As soon as the prerequisites are met so that the voltage networks can be supplied via the battery modules, the control switches over the supply. In this way, operating costs can be minimized, since the generator is not operated unnecessarily via the drive train and consumes energy, i.e. fuel.

Vorteilhafterweise ist ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgestattet.A vehicle is advantageously equipped with a circuit arrangement according to the invention.

Das Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist wenigstens die nachfolgenden Schritte auf:

- die Steuerung erkennt unterschiedliche Zustände des Fahrzeugs, wobei Zustände beispielsweise ein Parkmodus, ein Motorstart durch das Spannungsnetz mit dem hohen Spannungsniveau, ein Motorstart durch das Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau oder Fahrmodus sein können,
- die Steuerung passt eine Versorgung der beiden Spannungsnetze den Zuständen an, wobei die Versorgung wahlweise über den Generator und den DC/DC-Wandler und/oder über die Batteriezellenmodule erfolgt,
- die Steuerung steuert die ersten Schaltelemente an, um die Batteriemodule durch Serien- oder Parallelschaltung zu verbinden, um die zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus der zwei Spannungsnetze bereitzustellen,
- die Steuerung steuert die zweiten Schaltelemente an, so dass bei Temperaturen unterhalb des Schwellwertes eine Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze über den Generator und den DC/DC-Wandler erfolgt und bei Temperaturen oberhalb des Schwellwertes und einem ausreichenden Ladezustand der Batteriemodule eine Versorgung der zwei unterschiedlichen Spannungsnetze über die Batteriemodule erfolgt.

The method for operating a circuit arrangement according to the invention has at least the following steps:

- The controller recognizes different states of the vehicle, whereby states can be, for example, a parking mode, an engine start by the voltage network with the high voltage level, an engine start by the voltage network with the low voltage level or driving mode,
- the control adapts a supply of the two voltage networks to the states, whereby the supply is optionally via the generator and the DC / DC converter and / or via the battery cell modules
- The control activates the first switching elements in order to connect the battery modules by series or parallel connection in order to provide the two different voltage levels of the two voltage networks,
- The controller controls the second switching elements so that the two different voltage networks are supplied via the generator and the DC / DC converter at temperatures below the threshold value and the two different voltage networks are supplied at temperatures above the threshold value and the battery modules are sufficiently charged Voltage networks via the battery modules.

Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die Steuerung bei einem Parkmodus und/oder bei einem ein Motorstart durch das Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau die ersten Schaltelemente so ansteuert, dass alle Batteriemodule parallel geschaltet werden, um bei dem Parkmodus eine Grundversorgung des Spannungsnetzes mit dem niedrigen Spannungsniveau zu erreichen und bei einem Motorstart durch das Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau eine bestmögliche Startleistung zu erreichen.It can also be provided that in a parking mode and / or when the engine is started by the voltage network with the low voltage level, the controller controls the first switching elements in such a way that all battery modules are connected in parallel in order to provide a basic supply of the voltage network with the low voltage level in the parking mode To achieve voltage level and to achieve the best possible starting performance when starting the engine through the voltage network with the low voltage level.

Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Steuerung bei einem Motorstart durch das Spannungsnetz mit dem hohen Spannungsniveau die ersten Schaltelemente so ansteuert, dass durch Reihenschaltung einer ausreichenden Anzahl von Batteriemodulen das Spannungsniveau bereitgestellt wird, um eine das Spannungsnetz mit dem hohen Spannungsniveau mit der erforderlichen Startleistung zu versorgen.It can also be provided that when the engine is started by the voltage network with the high voltage level, the controller controls the first switching elements in such a way that a sufficient number of battery modules are connected in series to provide the voltage level to supply the voltage network with the high voltage level with the required starting power supply.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung bei einem ein Fahrmodus und Temperaturen oberhalb des festgelegten Schwellwertes die ersten Schaltelemente so ansteuert, dass durch Reihenschaltung einer ausreichenden Anzahl von Batteriemodulen das Spannungsniveau bereitgestellt wird. Vorteilhafterweise wird durch ein Steuern der zweiten Schaltelemente der Generator abgekoppelt und die Versorgung der Spannungsnetze rein über die Batteriemodule erreicht. Eine Abkopplung des Generators führt zu Einsparungen bei den Betriebskosten des Fahrzeugs.Furthermore, it can be provided that the controller controls the first switching elements in a driving mode and temperatures above the defined threshold value in such a way that the voltage level is provided by series connection of a sufficient number of battery modules. The generator is advantageously decoupled by controlling the second switching elements and the supply of the voltage networks is achieved purely via the battery modules. Decoupling the generator leads to savings in the operating costs of the vehicle.

Es kann vorgesehen sein, dass die Steuerung bei einem ein Fahrmodus und Temperaturen unterhalb des festgelegten Schwellwertes die ersten Schaltelemente so ansteuert, dass alle Batteriemodule parallel geschaltet werden. Die parallel geschalteten Batteriemodule dienen dann lediglich als Stützbatterie. Die Hauptversorgung der zwei Spannungsnetze erfolgt über den Generator und den DC/DC-Wandler.It can be provided that the controller controls the first switching elements in a driving mode and temperatures below the defined threshold value in such a way that all battery modules are connected in parallel. The battery modules connected in parallel then only serve as a backup battery. The main supply of the two voltage networks is provided by the generator and the DC / DC converter.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

1a, 1b ein Blockschaltbild mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gekoppelten Spannungsnetzen (a) und ohne Kopplung der Spannungsnetze (b), wobei der Schaltzustand bei einem Parkmodus gezeigt wird
2a, 2b Blockschaltbild gemäß 1a, 1b, wobei der Schaltzustand bei einem Motorstart in dem Spannungsnetz mit dem niedrigen Spannungsniveau gezeigt wird
3a, 3b Blockschaltbild gemäß 1a, 1b, wobei der Schaltzustand bei einem Motorstart in dem Spannungsnetz mit dem hohen Spannungsniveau gezeigt wird
4a, 4b Blockschaltbild gemäß 1a, 1b, wobei der Schaltzustand bei einem Fahrmodus bei hohen Temperaturen gezeigt wird
5a, 5b Blockschaltbild gemäß 1a, 1b, wobei der Schaltzustand bei einem Fahrmodus bei niedrigen Temperaturen gezeigt wird

The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1a , 1b a block diagram with a circuit arrangement according to the invention with coupled voltage networks (a) and without coupling the voltage networks (b), the switching state being shown in a parking mode
2a , 2 B Block diagram according to 1a , 1b , the switching state is shown when the engine is started in the voltage network with the low voltage level
3a , 3b Block diagram according to 1a , 1b , the switching state is shown when the engine is started in the voltage network with the high voltage level
4a , 4b Block diagram according to 1a , 1b , the switching state is shown in a driving mode at high temperatures
5a , 5b Block diagram according to 1a , 1b , the switching state is shown in a driving mode at low temperatures

In den Figuren werden gleiche oder funktional gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical components are provided with the same reference symbols in the figures.

Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 zum Verbinden von zwei unterschiedlichen Spannungsnetzen 2, 3 umfasst einen Startergenerator 4, eine Steuerung 5, eine Mehrzahl von Batteriemodulen 6, 7, 8, 9, einen DC/DC-Wandler 10 und eine Mehrzahl von ersten und zweiten Schaltelementen S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9.In the 1 illustrated circuit arrangement according to the invention 1 for connecting two different voltage networks 2 , 3 includes a starter generator 4th , a controller 5 , a plurality of battery modules 6th , 7th , 8th , 9 , a DC / DC converter 10 and a plurality of first and second switching elements S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 , S8 , S9 .

Weiterhin zeigt das Blockschaltbild zwei unterschiedliche Spannungsnetze 2, 3. In dem dargestellten Fall ein 48V Spannungsnetz 3 und ein 12 V Spannungsnetz 2. Die beiden Spannungsnetze 2 ,3 eignen sich insbesondere gut, um als Zweispannungsbordnetz in einem Fahrzeug eingesetzt zu werden. Besonders leistungsintensive Verbraucher können so an das 48V Spannungsnetz 3 angeschlossen werden.The block diagram also shows two different voltage networks 2 , 3 . In the case shown, a 48V voltage network 3 and a 12 V power supply 2 . The two voltage networks 2 , 3 are particularly well suited to be used as dual-voltage electrical systems in a vehicle. Particularly power-intensive consumers can thus be connected to the 48V voltage network 3 be connected.

Es ist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 6, 7, 8, 9 vorgesehen, die neben einem gemeinsamen Massepotenzial über die ersten Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 in Serien- und/oder Parallelschaltung verbunden werden können. Hierzu ist eine Steuerung 5 in die Schaltungsanordnung 1 eingebunden, die je nach Leistungsbedarf in den zwei unterschiedlichen Spannungsnetzen 2 ,3 die jeweilige Verschaltung der Batteriemodule 6, 7, 8, 9 steuert.It is a plurality of battery modules 6th , 7th , 8th , 9 provided, in addition to a common ground potential via the first switching elements S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 can be connected in series and / or parallel connection. There is a control for this 5 into the circuit arrangement 1 integrated, depending on the power requirement in the two different voltage networks 2 , 3 the respective interconnection of the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 controls.

Zwischen den Batteriemodulen 6, 7, 8, 9 sind sowohl eingangsseitig erste Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 angeordnet, die zu einem gemeinsamen Knotenpunkt geführt werden, als auch erste Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 so angeordnet sind, dass die Ausgangsseite des einen Batteriemoduls 6, 7, 8, mit der Eingangsseite des nächsten Batteriemoduls 6, 7, 8, verbunden werden kann.Between the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 are first switching elements on both the input side S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 arranged, which are led to a common node, as well as first switching elements S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 are arranged so that the output side of a battery module 6th , 7th , 8th , with the input side of the next battery module 6th , 7th , 8th , can be connected.

Ein DC/DC-Wandler 10 ist zwischen den beiden Spannungsnetzen 2, 3 angeordnet, um eine Energieübertragung zwischen den Spannungsnetzen 2, 3 zu ermöglichen. A DC / DC converter 10 is between the two voltage networks 2 , 3 arranged to transfer energy between the voltage networks 2 , 3 to enable.

Der Generator 4 ist als Startergenerator ausgeführt und in das 48V Spannungsnetz 3 eingebunden. Es sind weiterhin zweite Schaltelemente S8, S9 vorgesehen, die zwischen dem 48V Spannungsnetz 3 und dem 48V Eingang des DC/DC-Wandlers 10 und zwischen dem 48V Spannungsnetz 3 und einem ersten Batteriemodul 8 angeordnet sind. Durch die zweiten Schaltelemente S8, S9 ist es möglich, zwischen einer Versorgung der Spannungsnetze 2 ,3 über den Startergenerator 4 und den DC/DC-Wandler 10 und einer Versorgung der Spannungsnetze 2, 3 über die Batteriemodule 6, 7, 8, zu wählen. Auch ist es möglich, eine Versorgung über den Generator 4 und die Batteriemodule 6, 7, 8, 9 zu kombinieren.The generator 4th is designed as a starter generator and in the 48V voltage network 3 involved. There are still second switching elements S8 , S9 provided between the 48V voltage network 3 and the 48V input of the DC / DC converter 10 and between the 48V voltage network 3 and a first battery module 8th are arranged. By the second switching elements S8 , S9 it is possible to switch between a supply of voltage networks 2 , 3 via the starter generator 4th and the DC / DC converter 10 and a supply of the voltage networks 2 , 3 via the battery modules 6th , 7th , 8th , to choose. It is also possible to have a supply via the generator 4th and the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 to combine.

In 1a werden drei Batteriemodule 6,7 ,8 gezeigt, die gemeinsam das 48V Spannungsnetz 3 versorgen können. Dabei ist jeweils ein Batteriemodul 6 zusätzlich mit dem 12V Spannungsnetz 2 verbunden. In 1 b werden vier Batteriemodule 6, 7, 8, 9 gezeigt. Im Unterschied zu 1a ist es nicht zwingend notwendig, dass ein Batteriemodul 6, 7, 8 sowohl das 48V Spannungsnetz 3 als auch das 12V Spannungsnetz 2 versorgt.In 1a are three battery modules 6th , 7th , 8th shown, which together use the 48V voltage network 3 can supply. There is one battery module in each case 6th additionally with the 12V power supply 2 connected. In 1 b will be four battery modules 6th , 7th , 8th , 9 shown. In contrast to 1a it is not absolutely necessary to have a battery module 6th , 7th , 8th both the 48V voltage network 3 as well as the 12V voltage network 2 provided.

In 1a und 1b werden die ersten Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 durch die Steuerung 5 so angesteuert, dass alle Batteriemodule 6, 7, 8, 9 parallel verschaltet sind. Die Steuerung 5 hat in diesem Fall beispielsweise einen Parkmodus des Fahrzeugs erkannt. Wird ein Fahrzeug geparkt, ist eine Versorgung des 48V Spannungsnetzes 3 nicht erforderlich. Lediglich eine Grundversorgung in dem 12V Spannungsnetz 2 muss gewährleistet sein. Um die einzelnen Batteriemodule 6, 7, 8, 9 möglichst wenig zu belasten und für eine gleichmäßige Entladung zu sorgen, werden alle Batteriemodule 6, 7 ,8 ,9 parallel geschaltet. Dies gilt sowohl für eine Schaltungsanordnung 1 wie in 1a gezeigt als auch für eine Schaltungsanordnung 1 wie in 1b gezeigt.In 1a and 1b become the first switching elements S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 through the controller 5 controlled so that all battery modules 6th , 7th , 8th , 9 are connected in parallel. The control 5 has recognized in this case, for example, a parking mode of the vehicle. If a vehicle is parked, it is supplied with the 48V voltage network 3 not mandatory. Only a basic supply in the 12V voltage network 2 must be guaranteed. To the individual battery modules 6th , 7th , 8th , 9 To load as little as possible and to ensure an even discharge, all battery modules 6th , 7th , 8th , 9 connected in parallel. This applies both to a circuit arrangement 1 as in 1a shown as well as for a circuit arrangement 1 as in 1b shown.

Die zweiten Schaltelemente S8, S9 sind im Falle eines Parkmodus beide geöffnet, da eine Versorgung über den Generator 4 ohne laufenden Motor kein Nutzen bringen kann.The second switching elements S8 , S9 are both open in the case of a parking mode, as a supply via the generator 4th can be of no use without the engine running.

In 2a und 2b wird das Blockschaltbild gemäß 1 a und 1b gezeigt für den Fall, dass die Steuerung 5 einen Motorstart auf in dem Spannungsnetz 2 mit dem niedrigen Spannungsniveau, hier das 12V Spannungsnetz, steuert.In 2a and 2 B the block diagram according to 1 a and 1b shown in the event that the controller 5 an engine start on in the voltage network 2 with the low voltage level, here the 12V voltage network.

Für den Motorstart in dem 12V Spannungsnetz 2 sind die ersten Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 so geschaltet, dass die Batteriemodule 6, 7, 8, 9 parallel verschaltet sind. Dies ermöglicht eine bestmögliche Startleistung der Batteriemodule 6, 7, 8, 9 da alle Batteriemodule 6, 7, 8, 9 gleichmäßig belastet werden.For starting the engine in the 12V voltage network 2 are the first switching elements S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 switched so that the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 are connected in parallel. This enables the best possible starting performance of the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 there all battery modules 6th , 7th , 8th , 9 be evenly loaded.

3a zeigt das beschriebene Blockschaltbild für den Fall, dass ein Motorstart in dem Spannungsnetz 3 mit dem hohem Spannungsniveau vorgenommen wird. Dies kann insbesondere bei warmen Umgebungstemperaturen der Fall sein. 3a shows the block diagram described for the case that an engine start in the voltage network 3 is carried out with the high voltage level. This can be the case in particular in warm ambient temperatures.

Die Steuerung 5 steuert die ersten Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 derart, dass alle Batteriemodule 6, 7, 8 in Reihe verschaltet sind. Hierzu werden die Schaltelemente S4, S5 geschlossen, die die Ausgangsseite des einen Batteriemoduls 6, 7, 8 mit der Eingangsseite des nächsten Batteriemoduls 6, 7, 8 verbinden. Um eine 48V Versorgung an dem Startergenerator 4 zu erreichen, werden die zweiten Schaltelemente S8, S9 ebenfalls geschlossen.The control 5 controls the first switching elements S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 such that all battery modules 6th , 7th , 8th are connected in series. For this purpose, the switching elements S4 , S5 closed that the output side of a battery module 6th , 7th , 8th with the input side of the next battery module 6th , 7th , 8th connect. A 48V supply to the starter generator 4th to achieve the second switching elements S8 , S9 also closed.

Ein Batteriemodul S6 ist zusätzlich mit dem 12V Spannungsnetz verbunden über das geschlossene Schaltelement S1, um eine Grundversorgung zu gewährleisten.A battery module S6 is also connected to the 12V power supply via the closed switching element S1 to guarantee a basic service.

3b zeigt den gleichen Fahrzeugzustand wie 3a mit dem Unterschied, dass eine Trennung zwischen den Spannungsnetzen 2, 3 erfolgt. Die drei in Reihe geschalteten Batteriemodule 6, 7, 8 versorgen das 48V Spannungsnetz 3 und das vierte Batteriemodul 9 ist mit dem 12V Spannungsnetz 2 verbunden, um die Grundversorgung dieses Spannungsnetzes 2 zu übernehmen. 3b shows the same vehicle condition as 3a with the difference that there is a separation between the voltage networks 2 , 3 he follows. The three battery modules connected in series 6th , 7th , 8th supply the 48V voltage network 3 and the fourth battery module 9 is with the 12V voltage network 2 connected to the basic supply of this voltage network 2 to take over.

4a und 4b zeigen das Blockschaltbild für den Fall, dass das Fahrzeug bei höheren Außentemperaturen gefahren wird. Die Steuerung 5 überwacht die Temperatur und den Ladezustand der einzelnen Batteriemodule 6, 7, 8, 9 und für den Fall, dass die Temperatur und der Ladezustand in einem vorgegebenen Bereich liegen, wird die Versorgung der Spannungsnetze 2, 3 ausschließlich durch die Batteriemodule 6, 7, 8, 9 durchgeführt. 4a and 4b show the block diagram for the case that the vehicle is driven at higher outside temperatures. The control 5 monitors the temperature and the state of charge of the individual battery modules 6th , 7th , 8th , 9 and in the event that the temperature and the state of charge are in a predetermined range, the supply of the voltage networks 2 , 3 exclusively through the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 carried out.

Hierzu werden die ersten Schaltelement S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 von der Steuerung 5 so gesteuert, dass in 4a alle Batteriemodule 6, 7, 8 in Reihe verschaltet sind. Die Batteriemodule 6, 7, 8 versorgen das 48V Spannungsnetz 3 und über den DC/DC-Wandler 10 ebenfalls das 12V Spannungsnetz 2. Ein Batteriemodul 6 wird zusätzlich direkt mit dem 12V Spannungsnetz 2 verbunden. So kann auch bei einem Ausfall des DC/DC-Wandlers 10 eine Grundversorgung des 12V Spannungsnetzes 2 gewährleistet werden.For this purpose, the first switching element S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 from the controller 5 controlled so that in 4a all battery modules 6th , 7th , 8th are connected in series. The battery modules 6th , 7th , 8th supply the 48V voltage network 3 and via the DC / DC converter 10 also the 12V voltage network 2 . A battery module 6th is also connected directly to the 12V power supply 2 connected. This can also happen if the DC / DC converter fails 10 a basic supply of the 12V voltage network 2 guaranteed.

4b zeigt den gleichen Grundzustand. Im Unterschied zu 4a wird kein Batteriemodul 6, 7, 8, welches in Reihe geschaltet ist zusätzlich direkt mit dem 12V Spannungsnetz 2 verbunden. Die Grundversorgung des 12V Spannungsnetzes 2 wird durch das vierte Batteriemodul 9 übernommen. 4b shows the same basic state. In contrast to 4a will not be a battery module 6th , 7th , 8th , which is also connected in series directly to the 12V power supply 2 connected. The basic supply of the 12V voltage network 2 is through the fourth battery module 9 accepted.

Wird ein Fahrzeug bei niedrigen Außentemperaturen gefahren, kann der Fall eintreten, dass die Temperatur der Batteriemodule 6, 7, 8, 9 zu kalt zum Laden ist. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen eintreten, da diese nur in einem begrenzten Temperaturbereich ladefähig sind.If a vehicle is driven at low outside temperatures, it can happen that the temperature of the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 too cold to load. This can occur in particular when using lithium-ion cells, since these can only be charged in a limited temperature range.

Wie in 5a und 5b gezeigt, wird in einem solchen Fall die Hauptversorgung der Spannungsnetze 2, 3 über den Startergenerator 4 und den DC/DC-Wandler 10. Die einzelnen Batteriemodule 6, 7, 8, 9 dienen lediglich als Stützbatterien für das 12V Spannungsnetz 2, um hohe Lastspitzen abzufangen. Die Steuerung 5 erkennt den Ladezustand der einzelnen Batteriemodule 6, 7, 8, 9 und steuert, welches Batteriemodul 6, 7, 8, 9zur Unterstützung der Versorgung des 12V Spannungsnetzes 2 genutzt wird.As in 5a and 5b shown, in such a case the main supply of the voltage networks 2 , 3 via the starter generator 4th and the DC / DC converter 10 . The individual battery modules 6th , 7th , 8th , 9 serve only as backup batteries for the 12V voltage network 2 to absorb high load peaks. The control 5 detects the charge status of the individual battery modules 6th , 7th , 8th , 9 and controls which battery module 6th , 7th , 8th , 9 to support the supply of the 12V voltage network 2 is being used.

Durch die Hauptversorgung über den Startergenerator 4 und den DC/DC-Wandler 10 werden die einzelnen Batteriemodule 6, 7, 8, 9 nur sehr langsam entladen. Ist die Temperatur der Batteriemodule 6, 7, 8, 9 wieder auf eine ladefähige Temperatur gestiegen und sinkt der Ladezustand der Batteriemodule 6, 7, 8, 9 zu stark ab, kann die Steuerung 5 auf einen Schaltzustand wie in den 4a und 4b beschrieben wechsein.By the main supply via the starter generator 4th and the DC / DC converter 10 the individual battery modules 6th , 7th , 8th , 9 discharged very slowly. Is the temperature of the battery modules 6th , 7th , 8th , 9 rises again to a chargeable temperature and the state of charge of the battery modules decreases 6th , 7th , 8th , 9 too much, the controller can 5 to a switching state as in the 4a and 4b described change a.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: SchaltungsanordnungCircuit arrangement
22: Spannungsnetz mit dem niedrigen SpannungsniveauVoltage network with the low voltage level
33: Spannungsnetz mit dem hohen SpannungsniveauVoltage network with the high voltage level
44th: Generatorgenerator
55: Steuerungcontrol
6, 7, 8, 96, 7, 8, 9: BatteriemoduleBattery modules
1010: DC/DC-WandlerDC / DC converter
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7: erste Schaltelementefirst switching elements
S8, S9S8, S9: zweite Schaltelementesecond switching elements

Claims

Circuit arrangement (1) for connecting two different voltage networks (2, 3) with two different voltage levels, one of which is higher than the other, comprising a generator (4), a controller (5), a plurality of battery modules (6, 7, 8, 9), a DC / DC converter (10), a plurality of first and second switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9), characterized in that - the generator ( 4) is connected to one of the two different voltage networks (2, 3), - the controller (5) is designed to control the second switching elements (S8, S9) so that the two different voltage networks ( 2, 3) via the generator (4) and the DC / DC converter (10) and, at temperatures above this threshold value, the two different voltage networks (2, 3) are supplied via the battery modules (6, 7, 8, 9) takes place, - the controller (5) is designed to the first n switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) to be controlled so that the battery modules (6, 7, 8, 9) can be connected by series or parallel connection in order to control the two different voltage levels of the two voltage networks (2nd , 3) to provide.

Circuit arrangement according to Claim 1 , characterized in that the battery modules (6, 7, 8) can be connected to the voltage network (3) with the high voltage level and at least one of the battery modules (6, 7, 8) can also be connected to the voltage network (2) with the low voltage level is.

Circuit arrangement (1) according to Claim 1 , characterized in that a battery module (9) can be connected to the voltage network (2) with the low voltage level and the remaining battery modules (6, 7, 8) can be connected to the voltage network (3) with the high voltage level.

Circuit arrangement (1) according to Claim 1 to 3 , characterized in that the two different voltage networks (2, 3) have a voltage level of 12V and a voltage level of 48V.

Circuit arrangement (1) according to Claim 1 to 4th , characterized in that the generator (4) is a belt / starter generator.

Circuit arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the battery modules (6, 7, 8, 9) are made up of lithium-ion cells.

Circuit arrangement (1), according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the battery modules (6, 7, 8, 9) at a state of charge in a range from 30% to 100% of the charge capacity of the battery modules (6, 7, 8, 9), preferably in a range from 50% to 80% can be used to supply the two different voltage networks (2, 3).

Circuit arrangement (1), according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the threshold value for supplying the different voltage networks (2, 3) is 5 ° C.

Circuit arrangement (1), according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the battery modules (6, 7, 8, 9) in a temperature range of the lithium-ion cells from 0 ° C to 55 ° C, preferably in a range from 20 ° C to 35 ° C to supply the two different voltage networks (2, 3) can be used.

Vehicle with a circuit arrangement (1) according to the Claims 1 to 9 .

Method for operating a circuit arrangement (1) having the features of Claims 1 to 9 The method comprises at least the following steps: the controller (5) recognizes different states of the vehicle, with states, for example, a parking mode, an engine start by the voltage network (3) with the high voltage level, an engine start by the voltage network (2) the low voltage level or a driving mode, - the control (5) adjusts a supply of the two voltage networks (2, 3) to the conditions, whereby the supply can be optionally via the generator (4) and the DC / DC converter (10) and / or via the battery modules (6, 7, 8, 9), - the controller (5) controls the first switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) to switch the battery modules (6, 7, 8, 9) by series or parallel connection in order to provide the two different voltage levels of the two voltage networks (2, 3), - the controller (5) controls the second switching elements (S8, S9) so that at temperatures a supply below the threshold value of the two different voltage networks (2, 3) via the generator (4) and the DC / DC converter (10) and at temperatures above the threshold value and a sufficient state of charge of the battery modules (6, 7, 8, 9) a supply of the two different voltage networks (2, 3) via the battery modules (6, 7, 8, 9).

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the controller (5) controls the first switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) in a parking mode and / or when the engine is started by the voltage network (2) with the low voltage level that all battery modules (6, 7, 8, 9) are connected in parallel.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that when the engine is started by the voltage network (3) with the high voltage level, the controller (5) controls the first switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) in such a way that a sufficient number of the voltage level is provided by battery modules (6, 7, 8, 9).

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the controller (5) in a driving mode and temperatures above the specified threshold value, the first switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) so that the voltage level is provided by connecting a sufficient number of battery modules (6, 7, 8, 9) in series.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the controller (5) controls the first switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) in a driving mode and temperatures below the specified threshold value in such a way that all battery modules (6, 7, 8, 9) can be connected in parallel.