DE10313752A1

DE10313752A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE10313752A1
Application number: DE10313752A
Authority: DE
Inventors: Steffen Lutz; Werner Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: DE10313752B4

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges, bei der/dem ein von einer Niederspannungsbatterie versorgbarer Niederspannungskreis über einen DC/DC-Wandler mit einem von einer Höherspannungsbatterie versorgbaren Höherspannungskreis verbunden ist, so dass der DC/DC-Wandler mindestens unidirektional in einer Arbeitsrichtung auf den Höherspannungskreis ansteuerbar ist, und bei der mindestens die Höherspannungsbatterie aus der fahrzeuginternen Niederspannungsbatterie über den DC/DC-Wandler ladbar ist, und bei der eine Starteinrichtung zum Starten eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges dem Mehrspannungsbordnetz zugehörig ist, wobei Mittel vorgesehen sind, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes oder eines externen Fremstartstützpunktes an das Mehrspannungsbordnetz erkennbar ist und über die der DC/DC-Wandler aktivierbar ist, so dass bei einem für einen Startvorgang des Antriebsmotors unzureichenden Ladezustand der Höherspannungsbatterie, der DC/DC-Wandler derart ansteuerbar ist, dass die Höherspannungsbatterie und die Niederspannungsbatterie über das externe Ladegerät oder über den externen Fremdstartstützpunkt ladbar sind, so dass die Startfähigkeit des Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges aus dem fahrzeugeigenen Mehrspannungsbordnetz wiederherstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges, bei der ein von einer Niederspannungsbatterie versorgbarer Niederspannungskreis über einen DC/DC-Wandler mit einem von einer Höherspannungsbatterie versorgbaren Höherspannungskreis verbunden ist, so dass der DC/DC-Wandler mindestens unidirektional in einer Arbeitsrichtung auf den Höherspannungskreis ansteuerbar ist, und bei der mindestens die Höherspannungsbatterie aus der fahrzeuginternen Niederspannungsbatterie über den DC/DC-Wandler ladbar ist, und bei der eine Starteinrichtung zum Starten eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges dem Mehrspannungsbordnetz zugehörig ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges, bei dem ein DC/DC-Wandler aktiviert wird, der einen Höherspannungskreis, dem eine Höherspannungsbatterie zugeordnet ist und einen Niederspannungskreis, dem eine Niederspannungsbatterie zugeordnet ist, verbindet.
Für das heute übliche 14 V – Einspannungsbordnetz in Kraftfahrzeugen gibt es in den Werken, im Handel, im Kundendienst und bei der Pannenhilfe eine Infrastruktur an 14 V – Ladegeräten zum Stützen oder Laden der 12 V Batterie während der Fertigung, im Service, oder im Straßenverkehr. Auch die Kunden haben meistens ein Ladegerät für die 12 V Batterie angeschafft. Wenn ein Fahrzeug mit einem 14 V – Einspannungsbordnetz wegen leerer 12 V – Batterie liegen bleibt, gibt es neben der Möglichkeit die Batterie durch Anschließen eines 14 V – Ladegerätes wieder aufzuladen auch die Möglichkeit, diesem Fahrzeug durch ein anderes Fahrzeug, bzw. einen Fremdstartstützpunkt, Fremdstarthilfe zu geben. Durch eine Verbindung beider 14 V – Bordnetze mit Hilfe eines Fremdstartkabels kann die Starteinrichtung des liegengebliebenen Fahrzeuges durch die Batterie und den Generator, bzw. die energieerzeugende elektrische Maschine (Lichtmaschine), des starthilfegebenden Fahrzeuges betrieben werden.
Wegen der zunehmenden Elektrifizierung von Komponenten in Kraftfahrzeugen und der Realisierung technischer Innovationen (Hybridantrieb, Drive-by-wire – Systeme, Kurbelwellenstartergeneratoren, elektrischer Ventiltrieb, u.a.) reichen die herkömmlichen 14 V – Bordspannungen jedoch nicht mehr aus. Insbesondere mit der Einführung des für zukünftige Fahrzeuge favorisierten 14 V/42 V – Zweispannungsbordnetzes wird es in der Regel auch eine 36 V – Batterie im Bordnetz geben. Andererseits werden Ladegeräte für 36 V – Batterien auf absehbare Zeit keine große Verbreitung finden und somit in den ersten Jahren relativ teuer sein. Dadurch sind die Kosten für eine entsprechende Verdopplung der Infrastruktur in den Werken, im Handel und im Service recht hoch. Darüber hinaus können die Zusatzkosten für einen Kunden eine Hemmschwelle für den Erwerb eines solchen Fahrzeuges sein.
Bei Fahrzeugen mit einem 14V/42V – Zweispannungsbordnetz wird die Starteinrichtung des Fahrzeugs in der Regel aus der 36 V – Batterie betrieben werden. Bleibt ein solches Fahrzeug wegen leerer 36 V – Batterie liegen, kann eine direkt Starthilfe nur durch ein weiteres Fahrzeug mit einer 42 V – Spannungsebene gegeben werden. Gerade in den ersten Jahren der Einführung derartiger Bordnetze ist es höchst unwahrscheinlich, dass man ein zweites derartiges Fahrzeug für die Fremdstarthilfe findet.

Aus der DE 199 10 330 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung einer Starteinrichtung bekannt. Zur Sicherstellung der Startfähigkeit ist eine Steuereinheit vorgesehen, die in bestimmten zeitlichen Abständen auch bei nicht in Betrieb befindlichem Fahrzeug den elektrischen Zustand eines 14 V 42V – Zweispannungsbordnetzes überprüft. Die beiden Spannungskreise sind über einen DC/DC-Wandler miteinander verschaltet. Stellt die Steuereinheit fest, dass die Startfähigkeit aus der 36 V – Batterie des 42 V – Kreises heraus nicht gegeben ist, wird die 36 V – Batterie über den DC/DC-Wandler aus der 12 V Batterie des 14 V – Kreises heraus geladen. Weiterhin ist eine zusätzliche Steuerung vorgesehen, die im Falle einer Aktivierung des DC/DC-Wandlers im Ruhezustand des Fahrzeuges sicherstellt, dass ein unbeabsichtigtes Starten und in Gang setzen des Fahrzeuges ausgeschlossen ist.

Die bekannte Vorrichtung erhöht zwar die Betriebssicherheit des Fahrzeuges schon in erheblichem Maße, hat aber den Nachteil, dass die Startfähigkeit des Fahrzeugs aus eigener Kraft bei leerer 36 V – Batterie nur dann herstellbar ist, wenn ein ausreichendes Laden der 36 V – Batterie aus der fahrzeugeigenen 12 V – Batterie heraus möglich ist. Es ist jedoch denkbar, dass die fahrzeugeigene 12 V – Batterie, beispielsweise wegen einer längeren Standzeit des Fahrzeuges (Überführung nach Übersee, längerer Garagenaufenthalt, Saisonanmeldung, u.s.w.), wegen eines Defektes oder weil die Batterie ohnehin mit einer geringen Stärke (Amperestunden) ausgelegt ist, da (wie zunehmend angestrebt) die Leistungsversorgung des Fahrzeuges überwiegend aus dem 42 V – Kreis übernommen wird, nicht in der Lage ist, die 36 V – Batterie aufzuladen oder dies zumindest einen relativ langen Zeitraum beansprucht. Die bekannte Steuereinheit ist aber nur für eine Aufladung der 36 V – Batterie aus der fahrzeugeigenen 12 V – Batterie heraus ausgelegt. In diesem Fall müsste zunächst die 12 V – Batterie wieder aufgeladen (oder durch eine intakte Batterie ersetzt) werden, anschließend müsste die 36 V Batterie aufgeladen werden, und schließlich müsste nach dem Starten des Fahrzeugs die möglicherweise durch den vorhergehenden Ladevorgang wieder entladene 12 V – Batterie über den Generator des Bordnetzes im Fahrbetrieb erneut aufgeladen werden. Dies ist relativ zeitaufwendig und umständlich und geht während der ersten Fahrkilometer nach dem erfolgreichen Starten des Fahrzeuges, insbesondere im Kurzstreckenbetrieb in Städten mit einer nicht optimierten Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit einher.

Aus der DE 101 03 995 A1 ist eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren bekannt, bei der das Bordnetz eine 12 V – Batterie (Akkumulator) und einen 36 V – oder 42 V – Kondensator aufweist. Der Kondensator speist einen Startergenerator beim Starten des Verbrennungsmotors, wodurch die verwendete 12 V – Batterie mit einer geringeren Leistungsdichte (geringere Amperestundenzahl) ausgelegt werden kann. Über einen Wandler kann der Kondensator aus dem Akkumulator heraus aufgeladen werden.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, dass einerseits nicht vorgesehen ist, den Kondensator bei nicht in Betrieb befindlichem Fahrzeug aus dem fahrzeugeigenen Akkumulator heraus aufladen zu können, und dass andererseits die im Bedarfsfall vorgesehene Möglichkeit den Kondensator direkt an einer herkömmlichen 220 V – Netzsteckdose aufzuladen, um die Startfähigkeit des Fahrzeuges wiederherzustellen, im Falle einer 36 V – Batterie nicht gegeben ist. Die be kannte Vorrichtung ist daher für ein Zweispannungsbordnetz mit einer 36 V – Batterie nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Laden von Batterien in Mehrspannungsbordnetzen von Kraftfahrzeugen zu entwickeln, die mit einfachen Mitteln eine schnelle und zuverlässige Wiederherstellung einer Startfähigkeit des Fahrzeuges ermöglicht und die Betriebssicherheit des Fahrzeuges erhöht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass Mittel vorgesehen sind, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes oder eines externen Fremdstartstützpunktes an das Mehrspannungsbordnetz erkennbar ist und über die der DC/DC-Wandler aktivierbar ist, so dass bei einem für einen Startvorgang des Antriebsmotors unzureichenden Ladezustand der Höherspannungsbatterie, der DC/DC-Wandler derart ansteuerbar ist, dass die Höherspannungsbatterie und die Niederspannungsbatterie über das externe Ladegerät oder über den externen Fremdstartstützpunkt ladbar sind, so dass die Startfähigkeit des Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges aus dem fahrzeugeigenen Mehrspannungsbordnetz wiederherstellbar ist.

Unter Batterie wird in der Erfindung ein elektrochemischer wiederaufladbarer Stromspeicher verstanden (im Gegensatz zu anderen wiederaufladbaren Stromspeichern, die auf andere Weise elektrische Energie speichern, wie beispielsweise Kondensatoren).

Dadurch, dass der DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) beim Erkennen eines Ladegerätes oder eines Fremdladestützpunktes aktivierbar, bzw. ansteuerbar ist, kann die Höherspannungsbatterie auf verschiedene Weise aus der Niederspannungsebene heraus aufgeladen werden. Der DC/DC-Wandler kann auch bei inaktivem Bordnetz, d.h. ohne Betätigung eines Zündschlüssels, aktiviert werden. Dabei ist es möglich, die fahrzeuginterne Niederspannungsbatterie bei dem Ladevorgang der Höherspannungsbatterie zu unterstützen oder erforderlichenfalls die Höherspannungsbatterie direkt über den DC/DC-Wandler aufzuladen. Mit nur einem Ladegerät können beide Batterien des Zweispannungsbordnetzes geladen werden. Fertigung, Handel, Kundendienst und Kunden können insbesondere auf die An schaffung eines speziellen 42 V – Ladegerätes verzichten. Dadurch werden Kosten eingespart. Durch die Mittel zur Erkennung beim Anschließen eines externen Ladegerätes oder Fremdstartstützpunktes, und durch die entsprechende Ansteuerung des DC/DC-Wandlers, verhält sich das Fahrzeug mit dem Mehrspannungsbordnetz wie ein herkömmliches Fahrzeug mit nur einer Spannungsebene, dessen Batterie aufgeladen werden soll. Entsprechend einfach ist die Handhabung zum Laden der Batterien und bei einer Fremdstarthilfe bei einem liegengebliebenem Fahrzeug mit Mehrspannungsbordnetz. Bei einem wegen einer leeren Höherspannungs-Starterbatterie liegengebliebenen Fahrzeug kann die Startfähigkeit aus dem eigenen Bordnetz wiederhergestellt werden, auch wenn die eigene Niederspannungsbatterie nicht (mehr) genügend Ladung beinhaltet, um die Höherspannungsbatterie nachzuladen. Dazu muss nicht notwendigerweise zunächst die Niederspannungsbatterie wieder aufgeladen werden, was eine Zeitersparnis bedeutet. Auch wenn eine „Starthilfe" aus der fahrzeuginternen Niederspannungsbatterie möglich ist, ist die Erfindung von Vorteil, da die Wiederherstellung der Startfähigkeit mittels der zusätzlichen externen Lademöglichkeiten erheblich beschleunigt werden kann. Weiterhin kann beim Start des Fahrzeugs auch sofort die volle Leistungsfähigkeit der Niederspannungsbatterie wieder zur Verfügung stehen. Dadurch wird eine hohe Betriebssicherheit derartiger Fahrzeuge auch in einer Übergangsphase, in der diese Fahrzeug noch relativ wenig verbreitet sein werden, gewährleistet.

Selbstverständlich ist es auch möglich, bei einem Fahrzeug mit einem Mehrspannungsbordnetz, bei dem die Starteinrichtung auf der Niederspannungsebene angeordnet ist, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mittel zur Ansteuerung des DC/DC – Wandlers den Ladezustand der Höherspannungsbatterie unabhängig von der Wiederherstellung der Startfähigkeit des Fahrzeuges zu kontrollieren und zu sichern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Mehrspannungsbordnetz als ein 14 V / 42 V – Zweispannungsbordnetz ausgebildet, bei dem der Niederspannungsbatterie eine 12 V – Batterie ist, und bei dem die Höherspannungsbatterie eine 36 V – Batterie ist.

Die Vorrichtung ist für den Einsatz bei einem 14 V / 42 V – Zweispannungsbordnetz besonders kostengünstig und effektiv, da zum einem die komplette Infrastruktur für das heute übliche 14 V – Spannungsnetz mit einer 12 V – Batterie weiter benutzt werden kann, und zum anderen das 42 V – Spannungsnetz mit einer 36 V – Batterie insbesondere für die Versorgung von Hochstromverbrauchern und von durch Pulsweitenmodulation angesteuerten dynamischen Verbrauchern besonders geeignet ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 8 beschrieben.

Für die Erfindung ist es grundsätzlich ausreichend, wenn der DC/DC-Wandler für die Arbeitsrichtung von der Niederspannungsebene auf die Höherspannungsebene ausgelegt ist. Dazu muss die energieerzeugende elektrische Maschine, d.h. der Generator, auf der Niederspannungsebene angeordnet sein. Die genannte Arbeitsrichtung ist dann ohnehin gegeben, damit die Höherspannungsbatterie durch den Generator geladen und dieser Kreis mit Energie versorgt werden kann, und verursacht daher kein zusätzlichen Kostenaufwand. Wenn die energieerzeugende Maschine auf der Höherspannungsebene angeordnet ist, was bei vielen Bordnetztopologien bevorzugt wird, muss der DC/DC-Wandler bidirektional ausgerichtet sein, damit einerseits die Ladefunktion aus der Niederspannungsebene auf die Höherspannungsebene gegeben ist und andererseits beide Batterien des Bordnetzes über den Generator versorgbar sind. Der Kostenaufwand dazu kann je nach Schaltungsprinzip sehr gering sein. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt sich die bidirektionale Ausführung des DC/DC-Wandlers, durch den möglichen (und bei bestimmten Bordnetztopologien ohnehin notwendigen) bidirektionalen Energietransfer zwischen den Spannungsebenen besonders vorteilhaft aus.

Die Mittel, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes oder eines externen Fremdstartstützpunktes an das Mehrspannungsbordnetz erkennbar ist und über die der DC/DC-Wandler aktivierbar ist, können als eine Elektronikeinheit, die einen in die Niederspannungsbatterie fließenden Ladestrom misst oder als eine Elektronikeinheit, die einen ansteigenden Spannungspegel im Niederspannungskreis misst, was typisch für das Anschließen eines Ladegerätes auf der Niederspannungsseite ist, oder als eine Elektronikeinheit mit einem Schalter, der beispielsweise bei einem Anklemmen eines Kabels an die Niederspannungsebene oder bei dem Öffnen einer Abdeckung, beispielsweise einer Batterieverkapselung, geschaltet wird und ein Schaltungssignal auf einen Eingang des DC/DC-Wandlers gibt, ausgebildet sein. Dadurch ist auf einfache Weise ein Ansteuerung des DC/DC-Wandlers möglich. Ladegeräte oder Starthilfekabel können in der gewohnten Weise angeschlossen werden.

Nachteilig bei den bekanten Verfahren zum Laden von Batterien in Mehrspannungsbordnetzen von Kraftfahrzeugen ist es, dass sie in ihren Möglichkeiten zur Wiederherstellung der Startfähigkeit eines wegen leerer Starterbatterie liegengebliebenen derartigen Fahrzeugs relativ begrenzt sind und dadurch einen erhöhten Aufwand in Zeit, Kosten und technischer Durchführung verursachen können.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Verfahren so zu verbessern, dass sie flexibler anwendbar, zeitlich optimiert, kostengünstig und einfach durchführbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 9 dadurch gelöst, dass, dass, bei einem Anschließen eines Ladegerätes oder Fremdstartstützpunktes an das Mehrspannungsbordnetz, der DC/DC-Wandler mit Hilfe eines Ladealgorithmus derart angesteuert wird, dass mindestens die Höherspannungsbatterie über das Ladegerät oder über den Fremdstartstützpunkt bis zur Erreichung eines vorgegebenen Ladezustands geladen wird.

Wird ein externes Ladegerät oder ein Fremdstartstützpunkt an das Mehrspannungsbordnetz angeschlossen, führt dies zur Auslösung eines Ladevorgangs mindestens der Höherspannungsbatterie. Über den Ladevorgang ist ein bestimmter Ladezustand insbesondere der Höherspannungsbatterie herstellbar. Der Ladevorgang kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen und stellt insbesondere die Startfähigkeit von Fahrzeugen wieder her, bei denen die Starteinrichtung dem Höherspannungskreis zugeordnet ist. Dies war bei den bisher bekannten Systemen nur dann möglich, wenn ein Aufladen der Starterbatterie aus der bordeigenen Niederspannungsbatterie möglich war. Der externe Ladevorgang kann jedoch auch direkt über den DC/DC-Wandler erfolgen, es muss nicht zuerst die evtl. auch leere Niederspannungsbatterie geladen werden. Dadurch wird ein flexibles, in Zeit- und Kostenaufwand verbessertes Ladeverfahren für derartige Fahrzeuge realisiert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 10 bis 17 beschrieben.

Nach der Aktivierung des DC/DC-Wandlers können beide Batterien (Höherspannungsbatterie und Niederspannungsbatterie) parallel geladen werden. Der Ladealgorithmus überwacht dabei, dass der DC/DC-Wandler nur so viel Leistung aus der Niederspannungsebene entnimmt, dass die Spannung auf der Niederspannungsebene nicht zu weit absinkt. Dieser Spannungswert soll deutlich über einer Leerlaufspannung (lastfrei) der Niederspannungsbatterie liegen.

Es ist auch möglich, dass die Höherspannungsbatterie zuerst und die Niederspannungsbatterie anschließend geladen wird. Liegt die Spannung auf der Niederspannungsebene unterhalb der Leerlaufspannung der Niederspannungsbatterie fließt der überwiegende Teil des Ladestroms zuerst in die Höherspannungsbatterie.

Nachdem der Ladealgorithmus erkannt hat, dass die Höherspannungsbatterie voll geladen ist, kann der DC/DC-Wandler in einen Erhaltungslademodus gehen (Laden mit sehr geringem Strom) oder das Laden komplett beenden.

Wird die Zündung während des Ladevorgangs eingeschaltet, hängt es vom Strombedarf des Bordnetzes und der Stärke des Ladegerätes ab, ob ein weiteres Laden der Höherspannungsbatterie sinnvoll ist oder nicht. Entsprechend kann der Ladevorgang der Höherspannungsbatterie beendet werden oder auch nicht.

Weiterhin ist es sinnvoll, die Ladung aus der Niederspannungsebene heraus zu unterbrechen, wenn der Antriebsmotor gestartet wird. In diesem Fall kann die Ladung beider Batterien über die Generatorfunktion der energieerzeugenden elektrischen Maschine erfolgen.

Es kann auch ein Lademanagementsystem vorgesehen sein, dass über die an sich bekannte Funktion die Startfähigkeit des nicht im Betrieb befindlichen Fahrzeuges zu überwachen und ggf. einen Ladevorgang der Höherspannungsbatterie aus der fahrzeugeigenen Niederspannungsbatterie über den DC/DC-Wandler zu starten hinaus, auch die Startfähigkeit während des Startvorgangs prüft und bei einem zu hohen Spannungseinbruch auf der Höherspannungsebene den Ladevorgang aus der internen Niederspannungsbatterie heraus auslöst. Dadurch werden die Lademöglichkeiten des Lademanagementsystems erweitert. Obligatorisch wird während des Ladevorgangs überwacht, dass die Niederspannungsbatterie nicht unzulässig tief entladen wird.

Insbesondere ist es auch von Vorteil, wenn parallel zu der fahrzeugeigenen Niederspannungsbatterie das Niederspannungsbordnetz eines fremdstartgebenden Fahrzeugs geschaltet wird. In diesem Fall kann die Höherspannungsbatterie mit einem höheren Ladestrom geladen werden, wodurch die Startfähigkeit des Fahrzeug in deutlich kürzerer Zeit wiederherstellbar ist.

Nachdem das Ereignis, welches den DC/DC-Wandler aktiviert hat nicht mehr vorhanden ist (z.B. Abschalten des Ladegerätes auf der Niederspannungsebene oder Abklemmen des Kabels des Ladegerätes) deaktiviert sich der DC/DC-Wandler selbständig.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.

Es zeigen

1: Ein schematisches Schaltbild eines 14V/42V – Zweispannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laden der Batterien des Zweispannungsbordnetzes,

2: das 14V/42V – Zweispannungsbordnetz mit einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zum Laden der Batterien und

3: das 14V/42V – Zweispannungsbordnetz mit einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zum Laden der Batterien.

Eine Vorrichtung zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes 1 besteht im Wesentlichen aus einem DC/DC-Wandler 13 der über eine Elektronikeinheit 10, 20, 30 ansteuerbar ist.

Das Mehrspannungsbordnetzes 1 ist als ein 14V/42V – Zweispannungsbordnetz ausgebildet. Es weist einen 14 V – Niederspannungskreis 2 und einen 42V – Höherspannungskreis 3 auf. Der Niederspannungskreis 2 wird aus einer herkömmlichen 12 V – Batterie 4 gespeist, der Höherspannungskreis 3 aus einer 36 V – Batterie 5. Die Ladespannungen von 14 V bzw. 42 V werden von einer energieerzeugenden elektrischen Maschine 6, 6', vorteilhaft als ein Drehstromgenerator ausgebildet, erzeugt. In den Figuren sind zwei mögliche Generator – Positionen angedeutet. Im Falle eines Generators 6 im 42 V – Kreis 3 ist der DC/DC-Wandler 13 notwendigerweise als ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet, damit die 12 V – Batterie 4 von dem Generator 6 versorgt werden kann, und in umgekehrter Richtung die 36 V – Batterie 5 aus dem Niederspannungskreis 2 aufgeladen werden kann.

Eine (nicht dargestellte) Starteinrichtung zum Starten eines Antriebsmotors des Fahrzeugs, ist der 42 V – Spannungsebene 3 zugeordnet, d.h. dass der Antriebsmotor des Fahrzeug nur aus dieser Ebene 3 heraus gestartet werden kann.

1 zeigt in einer ersten Ausführungsform die Elektronikeinheit 10. Die Elektronikeinheit 10 ist einerseits mit dem Niederspannungskreis 2 und andererseits mit dem DC/DC-Wandler 13 verschaltet. Beispielsweise über eine mit einem Widerstand 12 in Reihe geschaltete, vorteilhaft als eine Zenerdiode ausgebildete, Halbleiterdiode 11, kann eine Erhöhung des Spannungspegels im Niederspannungskreis 2 bei einem Anschließen eines Ladegerätes 8 registriert und der DC/DC-Wandler 13 aktiviert werden.

Für die Erkennung eines erhöhten Spannungspegels sind jedoch auch andere schaltungstechnische Maßnahmen denkbar. Beispielsweise kann ein Komparator eingesetzt werden, der bei Überschreitung einer Spannungsschwelle die Elektronik einheit 10 einschaltet. Es ist auch möglich, dass die Elektronikeinheit 10 zyklisch, beispielsweise alle 5 min., eingeschaltet wird, die dann die aktuelle Spannung misst und sich dann bei niedriger Spannung, d.h. wenn die Spannungsschwelle nicht überschritten ist, wieder abschaltet.

In 2 ist eine zweite Ausführungsform mit einer Elektronikeinheit 20 dargestellt. Die Einheit 20 weist einen Schalter 21 auf, der beim Anschließen eines Fremdladestützpunktes 9 betätigbar ist. Dadurch kann ein Schaltsignal zur Aktivierung des DC/DC-Wandler 13 auf einen speziellen Eingang 22 gelegt werden.

In einer dritten Ausführungsform in 3 wird schließlich eine Elektronikeinheit 30 dargestellt. Hierbei kann bei inaktivem Generator 6, bzw. 6' ein in die 12 V- Batterie 4 hineinfließender Ladestrom über eine Strommesseinrichtung 31 erkannt werden, der wiederum den DC/DC-Wandler 13 aktiviert und dadurch den Ladevorgang der 36 V – Batterie auslöst.

Weiterhin ist ein als ein fahrzeuginternes Steuergerät ausgebildetes Lademanagementsystem 7 vorgesehen, über das der DC/DC-Wandler 13 ansteuerbar ist.

Ein Verfahren zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes 1 eines Kraftfahrzeuges beruht im Wesentlichen auf der Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers 13.

Das Verfahren wird mit der oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt. Wird ein Ladegerät 8 oder ein Fremdladestützpunkt 9, d.h. ein 14 V – Bordnetz eines Starthilfe gebenden Fahrzeugs, an den Niederspannungskreis 2 angeschlossen, um die 36 V – Batterie aufzuladen, um die Startfähigkeit des Fahrzeugs wiederherzustellen, wird dies mittels einer Elektronikeinheit 10, 20, 30 erkannt und der DC/DC-Wandler 13 aktiviert. Über einen Ladealgorithmus kann nun das Aufladen der 36 V – Batterie je nach Leerlaufspannung der 12 V -Batterie bevorzugt oder parallel mit der 12 V – Batterie durchgeführt werden.

Das Lademanagementsystem 7 kann erforderlichenfalls ein Aufladen der 36 V-Batterie 5 durch die fahrzeugeigene 12 V- Batterie 4 veranlassen. Schließlich ist es auch möglich, dass die fahrzeugeigene 12 V – Batterie mit einem 14 V – Bordnetz eines fremdstartgebenden Fahrzeugs parallel geschaltet wird, wodurch sich ein erhöhter Ladestrom ergibt und der Ladevorgang beschleunigt werden kann.

1: Mehrspannungsbordnetz
2: Niederspannungskreis
3: Höherspannungskreis
4: Niederspannungsbatterie
5: Höherspannungsbatterie
6, 6': Energieerzeugende elektrische Maschine
7: Lademanagementsystem
8: Ladegerät
9: Fremdladestützpunkt
10: Elektronikeinheit
11: Diode
12: Widerstand
13: DC/DC – Wandler
20: Elektronikeinheit
21: Schalter
22: Eingang
30: Elektronikeinheit
31: Strommesseinrichtung

Claims

Vorrichtung zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges, bei der ein von einer Niederspannungsbatterie versorgbarer Niederspannungskreis über einen DC/DC-Wandler mit einem von einer Höherspannungsbatterie versorgbaren Höherspannungskreis verbunden ist, so dass der DC/DC-Wandler mindestens unidirektional in einer Arbeitsrichtung auf den Höherspannungskreis ansteuerbar ist, und bei der mindestens die Höherspannungsbatterie aus der fahrzeuginternen Niederspannungsbatterie über den DC/DC-Wandler ladbar ist, und bei der eine Starteinrichtung zum Starten eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges dem Mehrspannungsbordnetz zugehörig ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes (8) oder eines externen Fremdstartstützpunktes (9) an das Mehrspannungsbordnetz (1) erkennbar ist und über die der DC/DC-Wandler (r) aktivierbar ist, so dass bei einem für einen Startvorgang des Antriebsmotors unzureichenden Ladezustand der Höherspannungsbatterie (5), der DC/DC-Wandler (13) derart ansteuerbar ist, dass die Höherspannungsbatterie (5) und die Niederspannungsbatterie (4) über das externe Ladegerät (8) oder über den externen Fremdstartstützpunkt (9) ladbar sind, so dass die Startfähigkeit des Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges aus dem fahrzeugeigenen Mehrspannungsbordnetz (1) wiederherstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrspannungsbordnetz (1) als ein 14 V / 42 V – Zweispannungsbordnetz ausgebildet ist, bei dem die Niederspannungsbatterie (4) eine 12 V – Batterie ist, und bei dem die Höherspannungsbatterie (5) eine 36 V – Batterie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (13) bidirektional in beiden Arbeitsrichtungen zwischen dem Höherspannungskreis (3) und dem Niederspannungskreis (2) ansteuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes (8) an das Mehrspannungsbordnetz (1) erkennbar ist, als eine Elektronikeinheit (10) ausgebildet sind, über die bei inaktivem Mehrspannungsbordnetz (1) eine Anhebung des Spannungsniveaus in dem 14 V – Niederspannungskreis (2) durch das Anschließen des Ladegerätes (8) messbar ist, und über die der DC/DC-Wandler (13) in Folge eines gemessenen erhöhten Spannungsniveaus aktivierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes (8) an das Mehrspannungsbordnetz (1) erkennbar ist, als eine Elektronikeinheit (30) ausgebildet sind, über die, bei inaktiver energieerzeugender Maschine (6, 6') des Mehrspannungsbordnetzes (1), ein in die Niederspannungsbatterie (4) hineinfließender Ladestrom messbar ist, und über die der DC/DC-Wandler (13) in Folge eines gemessenen Ladestroms aktivierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, über die ein Anschließen eines externen Ladegerätes (8) oder eines externen Fremdstartstützpunktes (9) an das Mehrspannungsbordnetz (1) erkennbar ist, als eine Elektronikeinheit (20) ausgebildet sind, bei der ein Schalter (21) ausgebildet ist, der in Wirkverbindung mit dem Ladegerät (8) oder dem Fremdstartstützpunkt (9) betätigbar ist, und über den ein Schaltsignal zur Aktivierung des DC/DC-Wandlers (13) einem speziellen Schaltsignaleingang (22) des DC/DC-Wandlers (13) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (21) durch ein Anklemmen oder Anstecken eines Kabels an einen Fremdstartstützpunkt (9) betätigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (21) durch ein Öffnen einer Abdeckung, über einen Fremdstartstützpunkt (9) betätigbar ist.
Verfahren zum Laden von Batterien eines Mehrspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeuges, bei dem ein DC/DC-Wandler aktiviert wird, der einen Höherspannungskreis, dem eine Höherspannungsbatterie zugeordnet ist und einen Niederspannungskreis, dem eine Niederspannungsbatterie zugeordnet ist, verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einem Anschließen eines Ladegerätes (8) oder Fremdstartstützpunktes (9) an das Mehrspannungsbordnetz (1), der DC/DC-Wandler (13) mit Hilfe eines Ladealgorithmus derart angesteuert wird, dass mindestens die Höherspannungsbatterie (5) über das Ladegerät (8) oder über den Fremdstartstützpunkt (9) bis zur Erreichung eines vorgegebenen Ladezustands geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Erreichen des vorgegebenen Ladezustands der Höherspannungsbatterie (5) die Startfähigkeit einer Starteinrichtung des Kraftfahrzeuges aus dem fahrzeugeigenen Mehrspannungsbordnetz (1) heraus hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungsbatterie (4) und die Höherspannungsbatterie (5) parallel geladen werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Höherspannungsbatterie (5) und anschließend die Niederspannungsbatterie (4) geladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ladevorgang die fahrzeugeigene Niederspannungsbatterie (4) mit einem Niederspannungsbordnetz eines fremdstartgebenden Fahrzeuges parallel geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des mittels des Ladealgorithmus festgestellten vorgegebenen Ladezustands der Höherspannungsbatterie (5), der DC/DC-Wandler (13) in einen Erhaltungslademodus geht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einschalten einer Zündanlage des Kraftfahrzeuges, ein Ladevorgang in Abhängigkeit des aktuellen Strombedarfes des Mehrspannungsbordnetzes (1) und der Ladestärke eines angeschlossenen Ladegerätes (8), fortgesetzt oder beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladevorgang bei einem erfolgreichen Startversuch eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Lademanagementsystems (7) die Höherspannungsbatterie (5) von der dem Niederspannungskreis (2) zugehörigen Niederspannungsbatterie (4) aufgeladen wird, wenn vor oder während eines Startens des Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges über die dem Höherspannungskreis (3) zugeordnete Starteinrichtung, erkannt wird, dass die Höherspannungsbatterie (5) eine unzureichende Startleistung aufweist.