DE10361743A1

DE10361743A1 - Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie

Info

Publication number: DE10361743A1
Application number: DE10361743A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schenk; Joerg Jehlicka; Klaus Sulzberger; Ralf Hadeler; Michael Wistrach; Torsten Zawade
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie angegeben, mit der in einem Zweispannungsbordnetz in einem Fahrzeug mit einer üblichen Bordnetzspannung und einem Starterkreis mit zugeordneter Batterie mit höherer Spannung, dem eine Fremdstarthilfe durch Zuführung einer Hilfsspannung gegeben werden kann, auch wenn die Hilfsspannung nicht der Spannung des Starterkreises entspricht. Damit kann mit jedem herkömmlichen Fahrzeug einem Fahrzeug mit beispielsweise einem 14 Volt Bordnetz und einem 42 Volt Starterkreis Starthilfe gegeben werden. Dazu ist lediglich erforderlich, dass vorgebbare Gruppen von jeweils in Reihe geschalteten Zellen der Batterie vor dem Beginn des Fremdstarts von einer Reihen- in eine Parallelschaltung umgeschaltet werden und nach erfolgreichem Start wieder in eine vorgebbare Ruheposition, insbesondere in eine Reihenschaltung, gebracht werden, in der sie von einem zugeordneten Generator versorgt werden können.

Description

Stand der Technik
Zur Deckung des steigenden Bedarf an elektrischer Energie zur Versorgung der Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz werden teilweise Mehrspannungsbordnetze vorgeschlagen, in denen zusätzlich zur üblichen Spannung von ca. 14 Volt auch noch eine Spannung von 42 Volt (Ladespannung) bereitgestellt wird. Diese höhere Spannung wird dabei überwiegend zur Versorgung der Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme verwendet. Ein solcher Verbraucher ist beispielsweise der Starter bzw. Anlasser.
Es sind bereits Fahrzeugbordnetze bekannt, in denen der Starter des Fahrzeugs mit einer höheren Spannung versorgt wird, als andere elektrische Verbraucher. Ein solches Bordnetz wird in der US-PS 3 206 610 beschrieben. Das bekannte Fahrzeugbordnetz ist insbesondere bei Lastkraftwagen einsetzbar und umfasst einen Generator zur Versorgung von drei Batterien mit jeweils 6 Volt Nennspannung. Beim Start werden die Batterien über geeignete Umschaltmittel in Serie geschaltet und während des Starts mit dem Starter verbunden. Am Starter liegt dann eine Spannung von 18 Volt, die von einer dabei vorliegenden 18 Volt Batterie, bereitgestellt wird. Nach erfolgreichem Start werden die Batterien durch Umschaltung der Umschaltmittel parallel geschaltet und mit dem Generator verbunden. Die drei Batterien sind also im Normalfall parallel geschaltet, weisen dann eine Nennspannung von 6 Volt auf und werden vom Generator geladen.
Auch bei Fahrzeugen mit einem Zweispannungsbordetz, bei dem der Starter mit der höheren Spannung betrieben werden soll, beispielsweise bei einem Zweispannungsbordetz mit einem 42 Volt Startkreis kann unter ungünstigen Umständen eine derart starke Entladung der Batterie auftreten, dass ein Start nicht mehr möglich ist. In einem solchen Fall ist eine Starthilfe bzw. ein Fremdstart erforderlich. Ein Fremdstart ist aber nur möglich, wenn die zur Verfügung stehenden Spannungen gleich sind.
Andernfalls müssten DCIDC-Wandler zur Spannungsanpassung, insbesondere zur Spannungserhöhung eingesetzt werden, die einen beträchtlichen Aufwand erfordern. Da der Starter für einen erfolgreichen Start eines Motors einen hohen Energiebedarf hat, ist ein Energiespeicher, bzw. eine Batterie erforderlich, der bzw. die diese Energie liefern kann. Da die Aufladung des Energiespeichers möglichst schnell erfolgen soll, muss ein eingesetzter DC/DC-Wandler auf eine große Leistung ausgelegt werden, wodurch hohe Kosten verursacht werden.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umschaltung einer Baterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Fremdstart bei einem Zweispannungsbordnetz problemlos und ohne Verursachung hoher Kosten möglich ist. Besonders vorteilhaft ist, dass in einem 14 Volt Fahrzeugbordnetz mit einer Batterie mit 12 Volt Nennspannung und einem 42 Volt Starterkreis ein Fremdstart mit einem Fahrzeug mit einem 14 Volt Bordnetz durchgeführt werden kann. Es kann daher in vorteilhafter Weise mit jedem herkömmlichen Fahrzeug oder einer sonstigen geeigneten Hilfsspannungsquelle mit 14 Volt einem Fahrzeug mit Mehrspannungsbordnetz und auf erhöhter Spannung liegendem Starterkreis problemlos Starthilfe geben werden.
Erzielt werden diese Vorteile indem eine Batterie eingesetzt wird, die für die höhere Spannung ausgelegt ist und eine Reihenschaltung von Zellen mit niedrigerer Spannung umfasst. Dabei sind Umschaltmittel vorgesehen, die eine vorgebbare Anzahl von Gruppen von Zellen so umschalten können, dass eine Parallelschaltung dieser Gruppen erfolgt. Die während der Parallelschaltung entstehende Spannung ist niedriger als die Spannung bei Reihenschaltung aller Zellen. Durch optimale Anpassung der Zellen in Gruppen kann die höhere Spannung bei Serienschaltung so eingestellt werden, dass sie der von einem Generator gelieferten Ladespannung entspricht und die niedrigere Spannung bei Parallelschaltung so, dass sie der herkömmlichen Bordnetzspannung entspricht. Zur Durchführung des Fremdstarts ist die Parallelschaltung der Gruppen von Zellen der Batterie vorzunehmen, nach erfolgreichem Start des Motors wird in die Reihenschaltung gewechselt, bei der die Umschaltmittel in ihrer Ruheposition sind. Dann wird auch eine Verbindung mit dem Generator zur Ladung der Batterie hergestellt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung weist eine derartige Anzahl und Kombination von Batteriezellen und Gruppen von Zellen auf, dass ein Einsatz in einem Zweibatteriebordnetz mit 14 Volt Bereichen und einem 42 Volt Startkreis möglich ist. Die Spannungsangabe bezieht sich jeweils auf die Ladespannung. Dazu werden bei einer 42 Volt Batterie drei Gruppen geschaltet, wobei jede Gruppe gegen Masse und an das 14 Volt Bordnetz und/oder an die Starthilfeklemme geschaltet werden. Da der Starthilfefall relativ selten vorkommt, kann in vorteilhafter Weise ein Handschalter mit mehreren Schaltkontakten eingesetzt werden. Neben der Möglichkeit der Handbetätigung des Schalters kann die Umschaltung in vorteilhafter Weise auch mittels eines Relais oder mittels elektronischer Mittel erfolgen oder ein Relais kann zumindest mittels Elektromagnet den Schalter wieder in Ruhestellung bringen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Spannung der Batteriezellen gemessen und abhängig von der gemessenen Spannung bzw. vom davon abhängigen Ladezustand der Batterie wird der Schalter automatisch wieder in seinen Ruhezustand gebracht. Die erforderliche Ansteuerelektronik kann Bestandteil eines Steuergerätes, beispielsweise eines Bordnetzsteuergerätes sein.
In einem erfindungsgemäßen System können in vorteilhafter Weise Wandlerverluste beim Laden vermieden oder zumindest verringert werden. Es sind als Spannungswandler keine Hochsetzsteller erforderlich oder zumindest nur solche mit geringer Leistung. Damit entstehen geringere Kosten, es wird eine Gewichtsreduzierung ermöglicht und der Bauraum kann gegenüber herkömmlichen Systemen verringert werden.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung
In 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die Batterie 100 aus einer Reihenschaltung von drei Gruppen 10, 20, 30 von in Reihe geschalteten Batteriezellen 10a, 10b; 20a, 20b; 30a, 30b zusammenschaltbar ist. Der Minuspol der Zelle 10a liegt auf Masse. Die Batterie, beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie stellt in Reihenschaltung eine 42 Volt Batterie dar, wobei 42 Volt die Ladespannung ist, die Nennspannung ist somit 36 Volt. Die Gruppen von Batteriezellen ergeben 14 Volt bzw. 12 Volt Batterien.
Mit 40 ist ein Umschaltmittel bezeichnet, das beispielsweise als Handschalter mit mehreren Schaltkontakten ausgestaltet ist. Dieser Handschalter bzw. dreifach Handschalter kann in bestimmten Situationen betätigt werden. Je nach Stellung des Umschaltmittels 40 liegt an der Kontaktgruppe 50 eine Spannung von 14 Volt oder an der Klemme 80 eine Spannung von 42 Volt. Die Kontaktgruppe 50 ist mit der Klemme 90 verbunden, die beispielsweise als Starthilfeklemme ausgestaltet ist.
Die Batterie 100 ist Bestandteil eines Fahrzeugbordnetzes, insbesondere eines Zweispannungsbordnetzes mit Spannungen von 42 Volt und 14 Volt oder eines Mehrspannungsbordnetzes und wird mittels eines Generators 110 im Normalbetrieb geladen. Die Baterie 100 dient zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 120, 130 im Fahrzeugbordnetz, die über Schalter 140, 150 an die Batterie schaltbar sind. Weitere Verbraucher 160 mit anderer Nennspannung als der Batteriespannung oder der Bordnetzspannung sind über einen DC/DC-Wandler 170 mit der Batterie 100 oder der Klemme 90 verbindbar. Im Startfall wird die Batterie 100 über den Schalter 190 mit dem Anlasser bzw. dem Starter 180 verbunden, sodass dieser anläuft und letztendlich den Motor auf Startdrehzahl bringt. Der Starter 180 befindet sich erfindungsgemäß in einem Starterkreis und wird mit 42 Volt betrieben. Die einzelnen Komponenten des Bordnetzes sind sofern sie für das Verständnis der Erfindung nicht bedeutsam sind, nur beispielhaft dargestellt.
Mit der in der 1 dargestellten Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie können in Verbindung mit ihrem Einsatz in einem Zwei- oder Mehrspannungsbordnetz Verfahren zur Starthilfe bzw. Fremdstartverfahren durchgeführt werden, die trotz einer Startkreisspannung von 42 Volt mit einer Spannung von 14 Volt durchgeführt werden.
Damit kann die Starthilfe mit jedem herkömmlichen Fahrzeug mit einer 14 Volt (Ladespannung) Batterie durchgeführt werden. Die Starthilfe kann im Prinzip auch mit jeder geeigneten 14 Volt Spannungsquelle durchgeführt werden, wobei die zugeführte Spannung als Hilfsspannung für den Start anzusehen ist.
Soll eine Starthilfe gegeben werden, wir die Batterie 100 durch Umschalten des manuellen Schalters so geschaltet, dass die Pluspole der Batteriezellen jeder Gruppe an der 14 Volt Klemme liegen und die Minuspole über die Kontakte 50, 60, 70 auf Masse. Es kann dann die Hilfsspannung von 14 Volt über den Starthilfeanschluss 90 zugeführt werden. Da sich die Batteriezellen schnell aufladen, steht nach kurzer Zeit und Umschaltung des Schalters 40 eine Startspannung von 42 Volt zur Verfügung, die über die Klemme 80 an den Starter 180 abgegeben wird. Nach erfolgreichem Start wird die Batterie in ihren Normalzustand überführt und vom Generator geladen.
Als Umschaltmittel kann auch ein automatischer Schalter verwendet werden, der über einen Elektromagneten wieder in Ruhestellung gebracht werden kann. Der Elektromagnet wird dann beispielsweise sobald die Zellen voll sind, aktiviert. Diese Aktivierung kann von einer Ansteuerlogik 200 gesteuert werden, die beispielsweise in einem Bordnetzsteuergerät integriert ist. In 2 ist ein Beispiel für eine Lösung mit Relais 210 dargestellt. Die Erkennung eines vollen Zustandes der Zellen kann über eine Spannungsmessung oder eine Ladezustandserkennung erfolgen. Dazu muss die Ansteuerlogik entsprechend ausgestattet werden und beispielsweise einen Mikroprozessor, der erforderliche Auswerteverfahren durchführt, umfassen. Ausserdem müssen der Steuerlogik 200 die benötigten Informationen zugeführt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Kontaktgruppe 50 auch gleichzeitig als Startschalter genutzt. Der Schalter 40 wirkt dann nur auf die Kontakte 60 und 70.
Werde ein oder mehrere elektromagnetische oder elektronische Schalter/Umschalter eingesetzt, wie beim Ausführungsbeispiel nach 2. Dabei wird der Schalter 40 durch das Relais 210 mit Schaltstrecke 220 ersetzt, welches anzieht, sobald an die Starthilfeklemmen 90 eine Versorgung mit ausreichender Spannung anliegt. Das Relais kann so ausgelegt werden, dass eine Mindestspannung von z.B. 13.5 Volt anliegen muss, damit das Relais anziehen kann. Die Schaltkontakte können jeweils auch mit elektronischen Schaltern realisiert werden.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist eine Fremdaufladung mit einem 12 Volt Ladegerät möglich.

Claims

Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie in einem Zweispannungsbordnetz in einem Fahrzeug mit einer üblichen Bordnetzspannung und einem Starterkreis mit zugeordneter Batterie mit höherer Spannung, die mit dem Starter verbindbar ist und eine vorgebbare Anzahl von in Reihe geschalteten Gruppen von jeweils in Reihe geschalteten Zellen umfasst und Umschaltmittel vorhanden sind, über die die Gruppen von Batteriezellen bei vorgebbaren Bedingungen zueinander parallel schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen von Batteriezellen bei einem Fremdstart parallel zueinander geschaltet sind.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gruppen gleich drei ist, dass die übliche Bordnetz Ladespannung etwa 14 Volt und die höhere Spannung etwa 42 Volt beträgt.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel einen Handschalter, insbesondere einen dreifach Handschalter umfassen.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pluspole der Batteriezellen mit einem gemeinsamen Bordnetzanschluss verbindbar sind und die Minuspole der Batteriezellen auf Masse legbar sind.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel ein Relais mit einem Elektromagneten umfassen und Mittel zur Ansteuerung, die eine Ansteuerlogik beinhalten.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel Kontakte aufweisen, die zusätzlich als Startschalter dienen.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel ein oder mehrere elektromagnetische oder elektronische Schalter umfassen.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik Bestandteil eines Steuergerätes, insbesondere eines Bordnetzsteuergerätes ist und Mittel umfasst, die ein automatisches Schalten der Umschaltmittel bei vorgebbaren Bedingungen ermöglichen.
Vorrichtung zur Umschaltung einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Starthilfeklemme vorhanden ist, die mit dem Bordnetzanschluss verbindbar ist.
Verfahren zur Umschaltung einer Batterie in einem Zweispannungsbordnetz in einem Fahrzeug mit einer üblichen Bordnetzspannung und einem Starterkreis mit zugeordneter Batterie mit höherer Spannung, die mit dem Starter verbindbar ist und eine vorgebbare Anzahl von in Reihe geschalteten Gruppen von jeweils in Reihe geschalteten Zellen umfasst und Umschaltmittel vorhanden sind, über die die Gruppen von Batteriezellen bei vorgebbaren Bedingungen zueinander parallel schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen von Batteriezellen vor einem Fremdstart durch Betätigung der Umschaltmittel parallel zueinander geschaltet und mit dem gemeinsamen Bordnetzanschluss verbunden werden.
Verfahren zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgreichem Start die Gruppen von Batteriezellen durch Betätigung der Umschaltmittel wieder in eine vorgebbare Ruheposition, insbesondere in eine Reihenschaltung gebracht werden, in der sie von einem zugeordneten Generator versorgt werden können.
Verfahren zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fremdstarthilfe durch Zuführung einer Hilfsspannung erfolgt, insbesondere einer von einer Fahrzeugbatterie gelieferten Spannung.
Verfahren zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung durch Umlegung eines Handschalters oder durch Betätigung eines elektromagnetischen oder elektronischen Schalters erfolgt.
Verfahren zur Umschaltung einer Batterie nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung eines elektromagnetischen oder elektronischen Schalters automatisch bei vorgebbaren Bedingungen erfolgt und von einer Ansteuerlogik ausgelöst wird, die das Vorliegen der Bedingungen erkennt.