EP3099523A1 - Bordnetz und verfahren zum betrieb eines bordnetzes - Google Patents

Bordnetz und verfahren zum betrieb eines bordnetzes

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EP3099523A1
EP3099523A1 EP15701024.0A EP15701024A EP3099523A1 EP 3099523 A1 EP3099523 A1 EP 3099523A1 EP 15701024 A EP15701024 A EP 15701024A EP 3099523 A1 EP3099523 A1 EP 3099523A1
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EP
European Patent Office
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voltage
battery
low
electrical system
subnet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15701024.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Fink
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Samsung SDI Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3099523A1 publication Critical patent/EP3099523A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10S903/904—Component specially adapted for hev
    • Y10S903/907—Electricity storage, e.g. battery, capacitor

Definitions

  • the invention relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle, and to a motor vehicle having such a vehicle electrical system.
  • an electrical system for supplying the electric starter or starter for the internal combustion engine and other electrical devices of the motor vehicle, which is operated by default with 12 volts.
  • starting the engine is on the electrical system of a
  • Starter battery provided a voltage to a starter, soften the
  • Internal combustion engine starts when, for example, by a corresponding starter signal, a switch is closed. If the internal combustion engine is started, this drives an electric generator, which then generates a voltage of about 12 volts and provides it via the electrical system to the various electrical consumers in the vehicle. The electric generator also charges the starter battery charged by the starting process. If the battery is charged via the electrical system, the actual voltage may also be above the rated voltage, eg. B. at 14 V or at 14.4 V. The electrical system with 12 V, or 14 V voltage is referred to in the present disclosure as a low-voltage electrical system.
  • High voltage subnet having a battery which is adapted to generate the high voltage and deliver it to the high voltage subnet, and the at least two
  • High voltage subnet is fed from all battery units of the battery and the low voltage subnet is fed from a battery unit and in the second
  • the high voltage subnet is powered from a battery unit and the low voltage subnet is powered from at least one battery unit.
  • the invention has the advantage that electrical low-voltage consumers can be operated by the low voltage sub-network, the low on a first
  • the high-voltage sub-network is ready, i. the sub-board network with a relation to the first voltage increased voltage.
  • the supply of the low voltage subnetwork is the charging and
  • Low voltage subnetwork supply via the high voltage subnetwork takes place unidirectionally, d. H.
  • the coupling unit preferably provides the energy transfer only in one direction.
  • the electrical system can be used both in stationary applications, e.g. in wind turbines, as well as in vehicles, e.g. in hybrid and electric vehicles.
  • the electrical system can be used in vehicles that have start-stop systems.
  • the presented system d. H. the electrical system and an associated control unit,
  • a battery management system is particularly suitable for use in vehicles having a 48 volt generator and a 14 volt starter, the 14 volt starter is preferably designed for start / stop systems.
  • the system presented is particularly suitable for use in vehicles that have a boost recuperation system (BRS).
  • BRS boost recuperation system
  • Boost recuperation systems (BRS) generate electrical energy during braking, downhill or sail operation to supply the electrical consumers.
  • the BRS increases the efficiency of the system so that fuel can be saved or emissions can be reduced.
  • the battery in the high voltage subnetwork can be the
  • Assist combustion engine which is referred to as boost, or even be used at low speeds for short distances even for purely electric driving, e.g. with an electric parking and Ausparken.
  • the terms “battery” and “battery unit” are used in the present description, adapted to common usage, used for accumulator or Akkumulatorü.
  • the battery includes one or more battery packs that include a battery cell
  • Battery Module a module string or a battery pack can denote.
  • Battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules.
  • modules can form so-called battery direct converters (BDCs) and several battery direct converters form a battery direct inverter (BDI).
  • BDCs battery direct converters
  • BDI battery direct inverter
  • the battery units can thus be alternately claimed to provide the low voltage, z. B. to support a start-stop system, resulting in an increased life of the battery unit.
  • the coupling unit has at least one reverse-blocking switch.
  • the reverse-blocking switch for connecting and disconnecting a selectively switchable battery unit for
  • Reverse voltage both polarity can accommodate.
  • at least one reverse-blocking switch When connecting a battery unit to the low-voltage subnetwork, at least one reverse-blocking switch, more preferably two reverse-blocking switch, is preferably actuated.
  • at least one reverse-blocking-capable switch When switching off a battery unit to the low-voltage subnetwork, at least one reverse-blocking-capable switch, particularly preferably two reverse-blocking-capable switches, is likewise preferably actuated.
  • the coupling unit has at least one reverse-blocking switch.
  • the forward blocking switches are preferably suitable for the series connection of the selectively switchable battery units. It is preferably provided that when separating the line between two battery units, at least one reverse-blocking switch is actuated. Likewise, it is preferably provided that during the connection of the line between the battery units, at least one reverse-blocking switch is actuated.
  • the coupling unit is adapted to switch at least two battery units with respect to the low voltage subnet to each other in parallel. Particularly preferably, in the second operating state, at least two, preferably all battery units are connected in parallel with respect to the low-voltage subnetwork. This makes it possible that, in the case of deviating states of charge of the two battery units, a supply of the low-voltage subnetwork from that
  • the low-voltage subnet is supplied from both battery units.
  • the coupling unit is adapted to serially connect at least two battery units with respect to the high voltage subnetwork, i. to connect with each other in series.
  • at least two battery units are connected in series with respect to the high-voltage subnetwork.
  • the low-voltage subnetwork at least one
  • the capacitor is preferably configured to stabilize the low voltage when changing the connected battery unit.
  • the capacitor is also preferably also suitable as an energy store, which is set up to generate the low voltage at least in the short term and to feed it into the low voltage subnet.
  • the voltage dip in the low-voltage subnetwork can be further advantageously reduced if the switchover occurs at such times when the on-board electrical system current is as low as possible. This can be done, for example, by evaluating a signal for the on-board electrical system current and dependent control of the switch of the coupling unit.
  • Consumer management system to provide high voltage consumers, such.
  • the coupling unit is adapted to provide at least one further operating state, wherein in the further operating state, the high voltage subnet is fed from several, in particular two, three or four battery units and the low voltage subnet is fed from several, in particular two, three or four parallel battery units.
  • the electrical system preferably has a control unit for controlling the coupling unit
  • the control unit may for example be assigned to a battery management system associated with the battery, which comprises, for example, further units which are set up, measuring data on temperatures, supplied voltages, discharged currents and charge states of the battery or the
  • Coupling unit can have a computer program that executes one of the methods according to the invention.
  • a motor vehicle is also specified with an internal combustion engine and one of the vehicle electrical systems described above.
  • a first operating phase can be a parked vehicle or parking vehicle, a second operating phase a motor vehicle start, a third operating phase a start Stop operation of the motor vehicle and / or a fourth phase of operation a driving operation of the motor vehicle.
  • the second operating state in the first operating phase, d. H. set when the vehicle or parked vehicle.
  • the second operating phase may in particular be a starting state of a motor vehicle, for example also a cold start state of a motor vehicle, the latter being defined by the passage of a defined period of time, for example after the lapse of 10 min, 20 min, 1 h, 2 h, 12 h or 24 H.
  • the third operating phase preferably comprises a start operating state and a
  • the settings are preferably selected according to the settings in the second operating phase, and in the
  • that battery unit is used to supply the low-voltage subnetwork, which has the highest state of charge at a given time.
  • the supply of the low voltage subnet is made from that battery unit which has the highest
  • Charge state has.
  • the following considerations are made. It is assumed that in uniformly aged cells, the internal resistance and the capacity of the cells at the same reference conditions, ie. H. substantially the same temperature and the same state of charge, are approximately equal.
  • the maximum achievable power is limited by uniformly aged cells by that cell with the lowest charge state.
  • the maximum removable energy is limited by evenly charged cells by the cell with the lowest state of charge.
  • the maximum allowable load performance is limited by the cell with the highest state of charge for evenly aged cells.
  • the maximum deliverable energy is limited by evenly aged cells by the cell with the highest state of charge.
  • the system In addition to the requirements for the high-voltage subnetwork, the system also has requirements for starting operations in the low-voltage subnetwork. In order for these requirements to be met as well as possible by means of a combination of the high-performance energy store and the battery, it is preferred to use that battery unit to supply the low-voltage subnetwork which has the highest charge state at a given time.
  • the requirements for the selection of the switching states of the coupling unit can be met with the following operating strategy: The supply of the low voltage subnet always takes place from that battery unit, which currently has the highest state of charge. Since the supply of the low-voltage subnetwork is superimposed on the charging and discharging processes in the high-voltage subnetwork and the low-voltage sub-network power supply takes place unidirectionally, this selection rule ensures that the
  • Battery unit with the highest state of charge is discharged faster or is charged slower than the other battery units. This has a symmetrization of
  • a threshold value for the difference ASOCumschait of the charge states is introduced, eg a difference ASOCumschait with a defined value between 0.5% and 20%, preferably between 1% and 5%, more preferably about 2%, which must be exceeded, so that the supply of the
  • Low voltage subnet from a battery unit to that battery unit changes, which has a correspondingly higher state of charge than the currently used to supply the low voltage subnet battery unit.
  • the switchover in the supply is always on that battery unit, which currently has the highest state of charge, and the switching takes place when the current supply of the
  • Low voltage sub-network through-connected battery unit has a state of charge, which is lower by at least ASOCumschait than the state of charge of that battery unit with the highest state of charge.
  • the invention provides a low-cost vehicle electrical system with a lithium-ion battery system for vehicles, which has a high voltage subnet, a low voltage subnet and a boost recuperation system with unidirectional supply of the low voltage subnet. This can be compared to known systems a potential separating
  • DC-DC converters DC / DC converters
  • the system is therefore characterized by a reduced volume and by a lower weight compared to currently under development BRS systems.
  • the Boost recuperation system can also store significantly more energy when properly designed compared to currently under development BRS systems and thereby recover more electrical energy in the system during long braking or downhill driving.
  • the provision according to the invention for the selection of the switching states of the coupling unit has the effect that the battery can perform necessary tasks in an optimized manner in different operating phases of the vehicle electrical system.
  • the supply of the battery has the effect that the battery can perform necessary tasks in an optimized manner in different operating phases of the vehicle electrical system.
  • the battery provides sufficient electrical energy even with longer downtime.
  • the battery can supply high-voltage consumers even during stop phases during start-stop operation.
  • the supply of the high voltage subnet is ensured, d. H.
  • the battery provides the high-voltage sub-network substantially without interruption for the necessary operating conditions, the electrical energy.
  • optimization means that as much electrical energy can be recovered in a braking operation and that the battery can be charged with the highest possible performance.
  • the optimization means that the battery enables the starting processes by providing electrical energy with the required voltage and power, and that as much electrical energy as possible can be made available for the boost operation.
  • FIG. 1 shows a low-voltage on-board network according to the prior art
  • Figure 2 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 3 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 4 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • FIG. 5 shows a coupling unit in an exemplary operating state
  • FIG. 6 shows the coupling unit from FIG. 5 in a further exemplary operating state
  • FIG. 7 shows the coupling unit from FIG. 5 in a further exemplary operating state
  • FIG. 8 shows the coupling unit from FIG. 5 in a further exemplary operating state
  • FIG. 9 reverse and reverse blocking switches
  • FIG. 10 Settings of operating states as a function of operating phases
  • FIG. 11 shows operating states and their properties in a first operating phase
  • FIG. 12 operating states and their properties in a second operating phase
  • FIG. 1 shows a vehicle electrical system 1 according to the prior art.
  • Internal combustion engine is provided via the electrical system 1 from a starter battery 10, a voltage to a starter 1 1 available, which (not shown) starts the engine when, for example, by a corresponding starter signal, a switch 12 is closed. If the internal combustion engine is started, this drives an electric generator 13, which then generates a voltage of about 12 volts and provides it via the vehicle electrical system 1 to the various electrical consumers 14 in the vehicle. The electric generator 13 also charges the starter battery 10 charged by the starting process.
  • FIG. 2 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • the electrical system 1 can be an electrical system of a Vehicle, in particular a motor vehicle, transport vehicle or forklift to be.
  • the high-voltage sub-network 20 is, for example, a 48-volt electrical system with a
  • the electric generator 23 which is operable by an internal combustion engine (not shown).
  • the generator 23 is formed in this embodiment, in
  • the high voltage sub-network 20 further comprises a battery 24, which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is adapted to feed the necessary operating voltage in the high-voltage sub-network 20.
  • a battery 24 which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is adapted to feed the necessary operating voltage in the high-voltage sub-network 20.
  • Load resistors arranged which may be formed for example by at least one, preferably by a plurality of electrical high-voltage consumers 25 of the motor vehicle, which are operated with the high voltage.
  • the low-voltage sub-network 21 which is arranged on the output side of the DC-DC converter 22, there are a starter 26, which is set to close a switch 27 to start the engine, and an energy storage 28, which is set, the low voltage in the amount of, for example 14th Volt for that
  • Low voltage subnet 21 to provide. In the low voltage subnet 21 are more
  • Low-voltage consumers 29 are arranged, which are operated with the low voltage.
  • the vehicle electrical system voltage in the low-voltage sub-network 21 is in driving operation, depending on the temperature and state of charge of the energy storage 28, approximately in
  • the DC-DC converter 22 is connected on the input side to the high-voltage sub-network 20 and to the generator 23.
  • the DC-DC converter 22 is connected on the output side to the low-voltage sub-network 21.
  • the DC-DC converter 22 is formed, a DC voltage received on the input side, for example a DC voltage
  • DC voltage with which the high voltage subnet is operated for example, between 12 and 48 volts, to receive and generate an output voltage, which is different from the voltage received on the input side, in particular a
  • Figure 3 shows an electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • Low voltage sub-network 21 which are connected by a bidirectional, potential-separating DC-DC converter 31.
  • the illustrated vehicle electrical system 1 is in
  • the system illustrated in FIG. 3 differs in the integration of the starter. While in the system shown in Figure 2, the starter 26 is disposed in the low voltage subnet 21 and thereby the DC-DC converter 22 can be unidirectionally designed for energy transport from the high voltage sub-network 20 in the low voltage subnet 21, in the architecture shown in Figure 3, a starter generator 30 in High voltage subnet 20 used. In this case, the DC-DC converter 31 is bidirectional, so that the battery 24 can be charged via the low-voltage sub-network 21, if necessary.
  • FIG. 4 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • Low voltage subnet 21 for example, a vehicle electrical system 1 of a vehicle, in particular a motor vehicle, transport vehicle or forklift.
  • the electrical system 1 is particularly suitable for use in vehicles with a 48-volt generator, a 14-volt starter and a boost recuperation system.
  • the high-voltage sub-network 20 includes a starter-generator 30, which has a
  • the starter-generator 30 is designed to generate electrical energy as a function of a rotational movement of the engine of the vehicle and to feed it into the high-voltage sub-network 20.
  • load resistors are arranged, which may be formed for example by at least one, preferably by a plurality of electrical high-voltage consumers 25 of the motor vehicle, which are operated with the high voltage.
  • the high voltage sub-network 20 also includes a battery 40, which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is adapted to feed the operating voltage of 48 volts in the high voltage sub-network 20.
  • the lithium-ion battery 40 preferably has a rated voltage of 48 volts
  • the battery 40 has a plurality of battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n, wherein the
  • Battery units 41 are assigned a plurality of battery cells, which are usually connected in series and partially in addition to each other in parallel to the required
  • the individual battery cells are, for example, lithium-ion batteries with a voltage range of 2.8 to 4.2 volts.
  • the battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n are assigned Einzelschreibsabgriffe 80-1 1, 80-12, 80-21, 80-22, ... 80-n1, 80-n2, via which the Voltage of a coupling unit 33 is supplied.
  • the coupling unit 33 is set up to connect at least one of the battery units 41 of the battery 40 to the low-voltage sub-network 21 for its operation or support, and to appropriately interconnect these with respect to the high-voltage sub-network 20.
  • the coupling unit 33 couples the high voltage subnet 20 to the
  • Low-voltage sub-network 21 and provides the output side, the low-voltage sub-network 21, the necessary operating voltage ready, for example, 12 V or 14 V.
  • the low-voltage sub-network 21 includes the low-voltage consumers 29, which are designed, for example, for operation at 14 V voltage.
  • Embodiment is provided that the lithium-ion battery 40, the supply of closed circuit loads, which are shown as a consumer 25, 29, takes over when the vehicle is parked.
  • the lithium-ion battery 40 the supply of closed circuit loads, which are shown as a consumer 25, 29, takes over when the vehicle is parked.
  • the battery provides the quiescent currents of the low-voltage consumers 29 in the low voltage subnet 21 during the service life, so that, for example, an anti-theft alarm system is supplied.
  • an energy store 28 is optionally arranged, which can deliver very high power for a short time, ie is optimized for high performance, and as a
  • the energy storage 28 fulfills the purpose that overvoltages when switching the battery units 41 are further avoided. Is used as
  • Energy storage 28 is a capacitor used, its dimensioning is preferred:
  • Lax is the maximum on-board electrical system current which can flow in the I during the switching operations
  • t equals the time during which no battery unit 41 for the
  • FIG. 5 shows a coupling unit 33, which is designed as a unidirectional, galvanically non-separating DC-DC converter (DC / DC converter).
  • the coupling unit 33 comprises reverse blocking switches 44, 45, which have the property that in a state "on” they allow current to flow in only one direction and in a second state “off” they can absorb a blocking voltage of both polarities.
  • This is an essential difference to simple semiconductor switches, such as e.g. IGBT switches, as they can not pick up reverse voltage due to their intrinsic diode.
  • two different types of switches are shown in FIG. 5, namely RSSJ 45 and RSS_r 44, which do not have to differ in their production, but are merely installed with different polarity.
  • An example of the structure of the reverse blocking switches 44, 45 will be described with reference to FIG.
  • the individual voltage taps 80 of the battery units 41 are each supplied to one of the different reverse blocking switches RSSJ 45 and RSS_r 44.
  • the reverse blocking switches RSSJ 45 are the output side of the
  • Coupling unit 33 connected to the positive pole 52, and the reverse blocking switch RSS_r 44 are the output side of the coupling unit 33 connected to the negative pole 51.
  • the coupling unit 33 includes reverse blocking switches VSS 90, which may be, for example, standard semiconductor switches. An example of the structure of the reverse inhibit switch 90 will be described with reference to FIG. In the
  • Coupling unit 33 the individual taps of the battery units 41 are branched and fed in parallel to the reverse blocking switches each a non-forward switch VSS 90.
  • the reverse inhibit switches VSS 90 serially connect the battery units 41 if the reverse inhibit switches VSS 90 are closed.
  • a forward-blocking switch 90 is arranged between each two battery units 41, so that n-1 reverse-blocking switches VSS 90-1, VSS 90-2, ... VSS 90- ⁇ -1 are provided in n battery units.
  • the reference symbol 73 shows the current path through the battery units 41 for supplying the high-voltage subnetwork. All non-forward switch 90 are closed.
  • the vehicle electrical system or the control system is set up so that the battery 40 can only supply the starter-generator 30 with energy when all the non-forward-locking switches 90 are switched on.
  • the reverse blocking switches 90 need not necessarily be turned on, since the intrinsic diodes of the reverse blocking switch 90 can carry the charging current.
  • the reverse blocking switch 90 are always turned on when no parallel operation for the supply of the
  • reverse blocking switch 90 also allows two or more battery units 41 to be connected in parallel to supply the low voltage subnetwork 21. In this case, the affected reverse inhibit switches 90 are controlled to the "off" state, as will be explained with reference to Figure 8. In a different one
  • FIG. 6 shows the supply of the low-voltage sub-network 21 by way of example from FIG.
  • the voltage level of the high voltage subnet 20 based on the mass of
  • Low voltage sub-network 21 depends on which of the battery units 41 is switched on or are. In any of the operating states, however, one of the potentials has an amount which is a voltage limit equal to the sum of the high voltage and the
  • Low voltage exceeds, i. at a 48 volt mains and a 14 volt mains at about 62 volts. However, there may be negative potentials compared to the mass of the
  • the operation of the starter-generator 30 is independent of the operation of the coupling unit 33 and the supply of the low-voltage sub-network 21st In the through-connected
  • Battery unit 41 which supplies the low voltage subnet 21, results in a
  • Low voltage sub-network 21 can be constructed with the architecture presented a system which has a very high availability of electrical energy in the
  • Low voltage subnet 21 has.
  • FIG. 7 shows the supply of the low-voltage sub-network 21 by way of example from FIGS.
  • Battery units 41 -1, 41 -2 via the activated reverse blocking switches RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j.
  • a first current path 71 leads via a reverse blocking switch RSSJ 45-i via the second battery unit 44-2 and via the further reverse blocking switch RSS r 44-i to the negative pole 51.
  • Plus pole 52 also leads a further current path 72 via the reverse blocking switch RSSJ 45-j via the first through-connected battery unit 41 -1 via the further reverse blocking switch RSS_r 44-j to the negative pole 51.
  • FIG. 8 shows the supply of the low-voltage sub-network 21 by way of example from the battery units 41 -1, 41 -2 via the activated reverse-blocking switches RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j and the open reverse-blocking switch VSS 90 -1, which is located between the battery units 41 -1, 41 -2.
  • a first current path 72 leads via a reverse blocking switch RSSJ 45-i via the first battery unit 41 -1 and via the further reverse blocking switch RSS_r 44-j to the negative pole 51.
  • From the positive pole 52 also leads a further current path 71 via the reverse blocking switch RSSJ 45-j on the second through-connected battery unit 41 -2 via the further reverse blocking switch RSS_r 44-i to the negative terminal 51.
  • the reverse inhibit switch VSS 90-1 When the reverse inhibit switch VSS 90-1 is open, are the first battery unit 41 -1 and the second battery unit 41 -2 connected in parallel with respect to the low voltage subnet.
  • the positive pole of the first battery unit 41 -1 is connected electrically high impedance.
  • a first switching method is specified in which, in a first step a), the reverse blocking switches 44, 45 assigned to the connected battery units 41 are switched off. Then, in a second step b), with a delay whose duration essentially depends on the characteristics of the switches 44, 45 used, the connection of the
  • battery unit 41 -2 is to be changed to 41 -1, those of battery unit 41, which are initially in current-carrying power, are assigned
  • Low voltage subnetwork during the switching phase of the circuit breaker with the connected higher potential of the two battery units and the negative pole 51 during the switching phase with the lower potential of the two battery units This would in the short term, a much larger voltage to the low voltage sub-network 21 is applied as the specification of the low voltage subnet allowed.
  • the low-voltage subnetwork 21 would be connected in series because of the series connection
  • Battery units 41 in the short term the sum of the partial voltages of the battery units 41 -1, 41 -2 are provided. To avoid these surges, is in the
  • Switchover of the coupling unit 33 proceeded as follows: -
  • the switchover is such that the reverse blocking switch 44-i, 45-j of the current-carrying battery unit, in the example shown, the battery unit 41 -2, are first turned off and after the switch the current leading
  • Low voltage subnet 21 to take over, turned on.
  • the principle described is also referred to as "break-before-make".
  • the delay between switching off and on is required, since otherwise the voltage in the low-voltage sub-network 21 would rise to impermissibly high values in all switching operations during the transition phase, in the case illustrated in FIG. 7 to the sum of the voltages of the battery units 41 -1 and 41 -2, that is twice the value. If the coupling device 33 is switched with a delay time, but this means that the supply of the low voltage sub-network 21 is briefly interrupted. In order to avoid an inadmissible voltage dip, according to some
  • Embodiments buffering means of the energy storage 28 are made. If a capacitor is used as the energy store 28, then it takes place
  • the voltage dip in the low-voltage sub-network 21 can be further advantageously reduced, if the switching takes place at such times at which the electrical system power is as low as possible. This can be done, for example, by evaluating a signal for the on-board electrical system current and dependent control of the switch of the coupling unit. In addition, syncing with a
  • Consumer management system done to high voltage consumers, such as Switch off heating systems for a short time without sacrificing comfort, in order to enable switching of the battery units without significant voltage drop.
  • a further switching method is provided, wherein in a first step c) all non-forward switch 90 are turned off.
  • the starter-generator 30 feeds no energy in the switching phase
  • Battery unit or battery units 41 is turned on.
  • the shutdown of the first, connected battery unit 41 -1 of the low voltage subnet 21 it can also change between not directly
  • a fourth step d the reverse blocking switches 90 are switched on again. After the restoration of the connection, the parallel connection of the two battery units or the commutation of the first to the second battery unit is completed, without the supply of the low voltage subnet 21 was interrupted.
  • the selection of switching methods is made by the control system, for example, depending on which subnetwork should be prioritized. As another example, depending on which subnetwork should be prioritized. As another example, depending on which subnetwork should be prioritized. As another
  • Possibility can be provided in operating phases in which the full power or not the full voltage of the battery is required in the high voltage subnet, to go to a reduced voltage operation. Then can take place with the coupling unit 33 an uninterruptible supply of the low voltage subnet.
  • FIG. 9 shows a possible construction of reverse-blocking switches 44, 45 and reverse-blocking switches 90.
  • the direction of passage of the switches is indicated by I.
  • a reverse inhibit switch RSS_r 44 includes one
  • a reverse inhibit switch 90 includes a MOSFET, IGBT, or bipolar transistor 101, with its intrinsic diode 102 also shown.
  • the switches RSSJ 45, RSS_r 44 and VSS 90 are characterized in particular by a barely noticeable delay in the switching operations, ie allow a very short switching time.
  • Time delay between switching off and switching on the switch can be set very accurately.
  • FIG. 10 shows the setting of switching states as a function of different operating phases.
  • FIG. 10 shows four different operating phases 102, 103, 104, 105 whose detection or setting leads to a changeover 101 of the switching states of the coupling device.
  • a first phase of operation 102 is a passive phase of the system, such as a parked vehicle or parked vehicle.
  • a second operating phase 103 is a starting phase of the system, for example a motor vehicle start.
  • a third operating phase 104 is a start-stop phase of the system, for example a start-stop operation of a motor vehicle.
  • a fourth phase of operation 105 is an active phase of the system, for example a driving operation of the vehicle.
  • the battery underlying the figures 10 to 14 includes four exemplary
  • the coupling unit is set up to provide at least the following operating states:
  • the table shows configurations of the battery that can be set via the coupler.
  • XsYp means X cells connected in series and Y cells in
  • 2s1 p means a series connection of two
  • Battery units and 1 s2p a parallel connection of two battery units.
  • FIG. 11 shows configurations of the battery system in the first phase of operation 102, d. H. for example, when the vehicle is parked.
  • a first configuration 1 10 is 1 s4p, d. H.
  • a battery unit is the
  • High voltage subnet is possible by only one battery unit available voltage.
  • a balancing can be done 1 15 of the battery units, d. H. a compensation of the charges of the individual battery units.
  • Supply 1 18 of the low voltage subnetwork is possible without interruption when changing the battery unit.
  • a third configuration 1 12 namely 1 s1 p + 1 s3p, in which two non-forward switch between three adjacent battery units are turned off and six manniquesperrstorye switch of these battery units are turned on, there is a supply 1 19 of the high voltage subnet with a reduced voltage, here, for example three quarters of the high voltage. Balancing 120 of the battery units can take place via a change in the supply 121 of the low-voltage subnetwork. A supply 121 of the low voltage subnetwork is possible without interruption.
  • the second and the third configuration 1 1 1, 1 12 are preferably set when the high voltage subnet can indeed be supplied with reduced voltage, but this voltage is necessarily higher than the low voltage that can be provided by a battery unit.
  • the balancing of the battery units is performed by a change of that battery unit, which is used to supply the low voltage subnet. Such a change can either with a short interruption of the direct supply of the low voltage subnet from a battery unit and thus with appropriate
  • a fourth configuration 1 13, namely 4s1 p can be set.
  • High voltage subnetwork with the sum voltage of the battery units in addition to a balancing 123 of the battery units via a change of the supply of the low voltage subnet done.
  • the supply 124 of the low-voltage subnetwork is made from a single battery unit.
  • Battery unit is the supply 124 of the low voltage subnet not
  • the supply of the low voltage subnet is carried out in the fourth configuration 1 13 during the Abstellphase from that battery unit which has the highest state of charge. This selection rule ensures that the battery unit with the highest charge state is discharged faster than the other battery units.
  • FIG. 12 shows the setting of the switching states in the second operating phase 103, for example the start of the motor vehicle. So that the system on the
  • High voltage subnet page can deliver its maximum possible power, all battery units are connected to a configuration 120 in series, d. H. in the example with four battery units to 4s1 p.
  • a supply 121 of the high voltage subnetwork with maximum possible power of the battery a supply 122 of the
  • FIG. 13 shows the configuration of the battery system for the third operation phase 104, for example, the start-stop operation.
  • the third operating phase 104 has a
  • the same statements apply as for the first operating phase 102, which was described with reference to FIG. 11.
  • the selection of the configuration of the battery system therefore preferably takes place according to the same criteria. If the high-voltage sub-network can operate with a low voltage in the stop mode 131, the configuration 1 s4p is preferably set.
  • a supply 133 of the high-voltage consumers takes place with the power which is provided by a battery unit.
  • FIG. 14 shows the configuration of the battery system in the fourth operating phase 105, for example while driving.
  • the fourth operating phase 105 has a boost operating state 141 and a recuperation operating state 142, as well as a
  • the battery system In the boost operating state 141, the battery system should deliver the highest possible power to the starter-generator and can be charged in recuperation operating state 142 with the highest possible power. In addition to be provided or recorded as much energy in these two modes 141, 142 as possible. Therefore, in these two modes 141, 142, the configuration 4s1p is set. In the boost operating state 141, a delivery 145 of maximum power for the boost by the battery takes place, a supply 146 of the low-voltage subnetwork of that
  • the switching states of the coupling device for all four different operating phases 102, 103, 104, 105 of the vehicle can be set according to a defined rule.
  • the boundary condition in the specific implementation of the high-voltage subnetwork creates uniqueness, for example the possibility of being able to operate the high-voltage subnetwork also with low voltage.
  • the operating state 1 s4p is of particular interest even if the
  • High voltage subnet is not used to supply high voltage consumers, but to optimize the maximum power of the starter-generator. Then, the generator can be operated at moderate power at the low voltage, and the parallel connection of all battery units causes an on-board network adjusts with similar function as the low voltage subnet according to the current state of the art. The generator can directly supply the middle on-board electrical system, the battery is used in this state as a buffer memory. Are all battery units via the switches of
  • Coupling unit connected in parallel to the low voltage subnet power supply, so that battery unit with the highest state of charge is automatically discharged, and it automatically adjusts the balancing of the battery units.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) für zumindest einen Niederspannungsverbraucher (29) und ein Hochspannungsteilnetz (20) für zumindest einen Hochspannungsverbraucher (25) und einen Starter-Generator (30) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, wobei das Bordnetz (1) eine Batterie (40) aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz (20) einzuspeisen, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41) mit Einzelspannungsabgriffen (42) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit (33) dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten und einen zweiten Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem ersten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz (20) aus allen Batterieeinheiten (41) der Batterie (40) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21) aus einer Batterieeinheit (41) gespeist wird und in dem zweiten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz (20) aus einer Batterieeinheit (41) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21) aus zumindest einer Batterieeinheit (41) gespeist wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Bordnetzes (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.

Description

Beschreibung Titel
Bordnetz und Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.
In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 Volt betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer
Starterbatterie eine Spannung einem Starter zur Verfügung gestellt, weicher den
Verbrennungsmotor startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie wieder auf. Wird die Batterie über das Bordnetz geladen, kann die tatsächliche Spannung auch über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V. Das Bordnetz mit 12 V, bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als ein Niederspannungsbordnetz bezeichnet.
Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer
Nennspannung von 48 V zu verwenden, welches im Rahmen der Erfindung auch als ein Hochspannungsbordnetz bezeichnet wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen Starter- Generator aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen, wobei das
Hochspannungsteilnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz abzugeben, und die zumindest zwei
Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, zumindest einen ersten und einen zweiten Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem ersten Betriebszustand das
Hochspannungsteilnetz aus allen Batterieeinheiten der Batterie gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und in dem zweiten
Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus zumindest einer Batterieeinheit gespeist wird. Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische Niederspannungsverbraucher betrieben werden können, die auf eine niedrige erste
Spannung ausgelegt sind, und für Hochspannungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d.h. das Teilbordnetz mit einer gegenüber der ersten Spannung erhöhten Spannung. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes wird den Lade- und
Entladevorgängen im Hochspannungsteilnetz überlagert. Die
Niederspannungsteilnetzversorgung über das Hochspannungsteilnetz findet dabei unidirektional statt, d. h. die Koppeleinheit stellt den Energietransfer bevorzugt nur in eine Richtung bereit. Das Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.
Insbesondere kann das Bordnetz bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp- Systeme aufweisen. Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und ein zugehöriges Steuergerät,
beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die einen 48-Volt-Generator und einen 14-Volt-Starter aufweisen, wobei der 14- Volt-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die ein Boost-Rekuperationssystem (BRS) aufweisen. Bei Boost-Rekuperationssystemen (BRS) wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das BRS erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im Hochspannungsteilnetz kann dabei den
Verbrennungsmotor unterstützen, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken sogar für rein elektrisches Fahren eingesetzt werden, z.B. bei einem elektrischen Ein- und Ausparken.
Die Begriffe„Batterie" und„Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein
Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnen können. Die
Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können so genannte Batteriedirektkonverter (BDC, battery direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, battery direct inverter). Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gegenstands sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.
So ist von Vorteil, wenn die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten jeweils zur
Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind. Die Batterieeinheiten können damit abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start- Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheit führt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen rückwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die rückwärtssperrfähigen Schalter zur Zu- und Wegschaltung einer selektiv zuschaltbaren Batterieeinheit zum
Niederspannungsteilnetz. Diese Schalter besitzen die Eigenschaft, dass sie im Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und im Zustand„aus" eine
Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. Bei der Zuschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter, besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter zur Serienschaltung der selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung der Leitung zwischen zwei Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen den Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes zueinander parallel zu schalten. Besonders bevorzugt sind im zweiten Betriebszustand zumindest zwei, bevorzugt alle Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes zueinander parallel geschaltet. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei abweichenden Ladezuständen der beiden Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen
Batterieeinheit erfolgt, welche den höheren Ladezustand aufweist bzw. die höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus beiden Batterieeinheiten versorgt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell, d.h. miteinander in Reihe zu schalten. Besonders bevorzugt sind im ersten Betriebszustand zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen
Kondensator aufweist. Der Kondensator ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Niederspannung bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit zu stabilisieren. Der Kondensator eignet sich außerdem bevorzugt auch als ein Energiespeicher, welcher eingerichtet ist, zumindest kurzfristig die Niederspannung zu erzeugen und in das Niederspannungsteilnetz einzuspeisen. Der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz kann weiter vorteilhaft verringert werden, wenn die Umschaltung zu solchen Zeitpunkten erfolgt, bei denen der Bordnetzstrom möglichst gering ist. Dieses kann beispielsweise durch Auswertung eines Signals für den Bordnetzstrom und davon abhängiger Ansteuerung der Schalter der Koppeleinheit erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine Synchronisierung mit einem
Verbrauchermanagementsystem erfolgen, um Hochspannungsverbraucher, wie z.B.
Heizsysteme, kurzzeitig ohne Komforteinbußen abzuschalten, um den Umschaltvorgang der Batterieeinheiten ohne nennenswerten Spannungseinbruch zu ermöglichen.
Bevorzugt ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest einen weiteren Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem weiteren Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz aus mehreren, insbesondere zwei, drei oder vier Batterieeinheiten gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus mehreren, insbesondere zwei, drei oder vier parallel geschalteten Batterieeinheiten gespeist wird.
Bevorzugt weist das Bordnetz ein Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit zur
Schaltung der Batterieeinheiten auf. Das Steuergerät kann beispielsweise einem der Batterie zugeordneten Batteriemanagementsystem zugeordnet sein, das beispielsweise weitere Einheiten umfasst, die eingerichtet sind, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie bzw. der
Batterieeinheiten zu erfassen, zu verarbeiten und hieraus beispielsweise Aussagen über den Gesundheitszustand der Batterie zu treffen. Das Steuergerät zur Steuerung der
Koppeleinheit kann ein Computerprogramm aufweisen, das eines der erfindungsgemäßen Verfahren ausführt.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem der zuvor beschriebenen Bordnetze angegeben. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines der zuvor beschriebenen
Bordnetze erfolgt die Steuerung der Koppeleinheit zur Einstellung des ersten oder zweiten Betriebszustands in Abhängigkeit einer Betriebsphase des Kraftfahrzeugs.
Eine erste Betriebsphase kann dabei ein abgestelltes Fahrzeug oder parkendes Fahrzeug sein, eine zweite Betriebsphase ein Kraftfahrzeugstart, eine dritte Betriebsphase ein Start- Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs und/oder eine vierte Betriebsphase ein Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs.
Bevorzugt wird der zweite Betriebszustand bei der ersten Betriebsphase, d. h. bei abgestelltem Fahrzeug oder parkendem Fahrzeug eingestellt.
Bevorzugt erfolgt eine Serienschaltung mehrerer, bevorzugt aller Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes bei der zweiten Betriebsphase. Die zweite Betriebsphase kann insbesondere ein Startzustand eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise auch ein Kaltstartzustand eines Kraftfahrzeugs, wobei letzterer durch den Ablauf einer definierten Zeitdauer definiert sein kann, beispielsweise nach Ablauf von 10 min, 20 min, 1 h, 2 h, 12 h oder 24 h.
Bevorzugt erfolgt eine Serienschaltung mehrerer, bevorzugt aller Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes bei der vierten Betriebsphase, d. h. beim Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs.
Bevorzugt umfasst die dritte Betriebsphase einen Startbetriebszustand und einen
Stoppbetriebszustand. Bei dem Startbetriebszustand werden bevorzugt die Einstellungen gemäß den Einstellungen bei der zweiten Betriebsphase gewählt, und bei dem
Stoppbetriebszustand die Einstellungen gemäß den Einstellungen bei der ersten
Betriebsphase.
Bevorzugt wird diejenige Batterieeinheit zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes eingesetzt, die zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist.
Insbesondere ist auch bevorzugt, dass in dem ersten Betriebszustand die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit erfolgt, die den höchsten
Ladezustand aufweist. Bei Betrachtung einer optimierten Betriebsstrategie für das Bordnetz mit der dargestellten Serienschaltung der Batterieeinheiten werden folgende Erwägungen angestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei gleichmäßig gealterten Zellen der Innenwiderstand und die Kapazität der Zellen bei gleichen Referenzbedingungen, d. h. im Wesentlichen gleicher Temperatur und gleichem Ladezustand, annähernd gleich sind.
Die maximal abgebbare Leistung wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt. Die maximal entnehmbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt. Die maximal zulässige Leistung bei Ladevorgängen wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt.
Die maximal zuführbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt.
Da das Batteriesystem in einem Boost-Rekuperationssystem in der Lage sein soll, jederzeit möglichst viel Energie bei einem Bremsvorgang speichern zu können, und gleichzeitig in der Lage sein soll, einen Boost-Vorgang möglichst gut zu unterstützen, kann daraus die
Anforderung abgeleitet werden, dass die Batterieeinheiten und die darin befindlichen Zellen alle möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen sollten, um die gestellten Anforderungen möglichst gut zu erfüllen.
Zusätzlich zu den Anforderungen für das Hochspannungsteilnetz sind an das System auch Anforderungen für die Startvorgänge im Niederspannungsteilnetz gestellt. Damit diese Anforderungen mittels Kombination aus dem Hochleistungsenergiespeicher und der Batterie möglichst gut erfüllt werden, wird bevorzugt diejenige Batterieeinheit zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes eingesetzt, die zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist. Die Anforderungen an die Auswahl der Schaltzustände der Koppeleinheit können mit folgender Betriebsstrategie erfüllt werden: Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgt immer aus derjenigen Batterieeinheit, die aktuell den höchsten Ladezustand aufweist. Da die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes zu den Lade- und Entladevorgängen im Hochspannungsteilnetz überlagert ist und die Niederspannungsteilnetzversorgung unidirektional stattfindet, wird durch diese Auswahlvorschrift sichergestellt, dass die
Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird bzw. langsamer geladen wird als die anderen Batterieeinheiten. Dies hat eine Symmetrisierung der
Ladezustände der Batterieeinheiten zur Folge. Damit sich bei gleichem Ladezustand der Batterieeinheiten nicht ein sehr schneller Wechsel von einer Batterieeinheit auf die nächste einstellt, wird ein Schwellwert für die Differenz ASOCumschait der Ladezustände eingeführt, z.B. eine Differenz ASOCumschait mit einem definierten Wert zwischen 0,5% und 20%, bevorzugt zwischen 1 % und 5%, besonders bevorzugt etwa 2%, der überschritten werden muss, damit die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes von einer Batterieeinheit auf diejenige Batterieeinheit wechselt, die einen entsprechend höheren Ladezustand aufweist, als die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes genutzte Batterieeinheit. Die Umschaltung bei der Versorgung erfolgt immer auf diejenige Batterieeinheit, die aktuell den höchsten Ladezustand aufweist, und die Umschaltung erfolgt dann, wenn die aktuell zur Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes durchgeschaltete Batterieeinheit einen Ladezustand aufweist, der um mindestens ASOCumschait geringer ist als der Ladezustand jener Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand. Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem für Fahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperationssystem mit unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender
Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie.
Außerdem ist kein separater Starter im Niederspannungsteilnetz nötig. Das System zeichnet sich daher durch ein verringertes Volumen und durch ein geringeres Gewicht gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen BRS-Systemen aus. Das Boost-Rekuperationssystem kann außerdem bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen BRS-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.
Die erfindungsgemäße Vorschrift für die Auswahl der Schaltzustände der Koppeleinheit bewirkt, dass die Batterie in verschiedenen Betriebsphasen des Bordnetzes nötige Aufgaben in optimierter Weise erfüllen kann. Insbesondere wird die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes sichergestellt. Die Versorgung erfolgt dabei möglichst unterbrechungsfrei, d. h. möglichst ohne Spannungseinbrüche. Sollte während
Umschaltphasen der Koppeleinheit kurzfristig die unterbrechungsfreie Versorgung des Niederspannungsteilnetzes nicht möglich sein, wird der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz trotzdem auf tolerierbare Werte begrenzt. Außerdem stellt die Batterie ausreichend elektrische Energie auch bei längeren Stillstandszeiten bereit. Die Batterie kann Hochspannungsverbraucher auch während Stoppphasen bei Start-Stopp- Betrieb versorgen.
Außerdem wird die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes sichergestellt, d. h. die Batterie stellt dem Hochspannungsteilnetz im Wesentlichen unterbrechungsfrei für die nötigen Betriebszustände die elektrische Energie bereit. Hinsichtlich der Speicherung elektrischer Energie bedeutet die Optimierung, dass möglichst viel elektrische Energie bei einem Bremsvorgang zurückgewonnen werden kann und dass die Batterie dabei mit möglichst hohen Leistungen geladen werden kann. Hinsichtlich der Bereitstellung der elektrischen Energie bedeutet die Optimierung, dass die Batterie die Startvorgänge durch Bereitstellen elektrischer Energie mit der erforderlichen Spannung und Leistung ermöglicht und dass für den Boost-Betrieb möglichst viel elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Niederspannungsbordnetz nach dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, potentialtrennenden
Gleichspannungswandler,
Figur 3 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem bidirektionalen, potentialtrennenden Gleichspannungswandler,
Figur 4 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch
trennenden Gleichspannungswandler, Figur 5 eine Koppeleinheit in einem beispielhaften Betriebszustand,
Figur 6 die Koppeleinheit aus Figur 5 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand,
Figur 7 die Koppeleinheit aus Figur 5 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand,
Figur 8 die Koppeleinheit aus Figur 5 in einem weiteren beispielhaften Betriebszustand,
Figur 9 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter,
Figur 10 Einstellungen von Betriebszuständen in Abhängigkeit von Betriebsphasen,
Figur 1 1 Betriebszustände und ihre Eigenschaften in einer ersten Betriebsphase,
Figur 12 Betriebszustände und ihre Eigenschaften in einer zweiten Betriebsphase,
Figur 13 Betriebszustände und ihre Eigenschaften in einer dritten Betriebsphase und
Figur 14 Betriebszustände und ihre Eigenschaften in einer vierten Betriebsphase.
Figur 1 zeigt ein Bordnetz 1 nach dem Stand der Technik. Beim Starten eines
Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz 1 von einer Starterbatterie 10 eine Spannung einem Starter 1 1 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter 12 geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13 an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
Figur 2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden
Gleichspannungswandler 22, der eine Koppeleinheit zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers, sein.
Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-Volt-Bordnetz mit einem
elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, in
Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst weiterhin eine Batterie 24, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die nötige Betriebsspannung in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere
Lastwiderstände angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Hochspannungsverbrauchern 25 des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
Im Niederspannungsteilnetz 21 , welches ausgangsseitig an dem Gleichspannungswandler 22 angeordnet ist, befinden sich ein Starter 26, der eingerichtet ist, einen Schalter 27 zu schließen um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, die Niederspannung in Höhe von beispielsweise 14 Volt für das
Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind weitere
Niederspannungsverbraucher 29 angeordnet, die mit der Niederspannung betrieben werden. Der Energiespeicher 28 umfasst beispielsweise galvanische Zellen, insbesondere solche einer Blei-Säurebatterie, welche in vollgeladenem Zustand (state of Charge, SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 Volt aufweist. Bei entladener Batterie (state of Charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 Volt auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im
Bereich zwischen 10,8 Volt und 15 Volt. Der Gleichspannungswandler 22 ist eingangsseitig mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und mit dem Generator 23 verbunden. Der Gleichspannungswandler 22 ist ausgangsseitig mit dem Niederspannungsteilnetz 21 verbunden. Der Gleichspannungswandler 22 ist ausgebildet, eine eingangsseitig empfangene Gleichspannung, beispielsweise eine
Gleichspannung, mit der das Hochspannungsteilnetz betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 Volt, zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche von der eingangsseitig empfangenen Spannung verschieden ist, insbesondere eine
Ausgangsspannung zu erzeugen, welche kleiner ist als die eingangsseitig empfangene Spannung, beispielsweise 12 V oder 14 V. Figur 3 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 , welche durch einen bidirektionalen, potentialtrennenden Gleichspannungswandler 31 verbunden sind. Das dargestellte Bordnetz 1 ist im
Wesentlichen wie das in Figur 2 dargestellte Bordnetz ausgebildet, wobei der Generator im Hochspannungsteilnetz eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den
Teilbordnetzen 20, 21 ein Gleichspannungswandler 31 zum Einsatz kommt, der
potentialtrennend ausgeführt ist. In beiden Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Verbraucher 25, 29 angeordnet, wie mit Bezug zu Figur 2 beschrieben. Im Wesentlichen unterscheidet sich das in Figur 3 dargestellte System durch die Einbindung des Starters. Während in dem in Figur 2 dargestellten System der Starter 26 im Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet ist und hierdurch der Gleichspannungswandler 22 unidirektional für einen Energietransport vom Hochspannungsteilnetz 20 in das Niederspannungsteilnetz 21 ausgelegt sein kann, wird bei der in Figur 3 dargestellten Architektur ein Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingesetzt. In diesem Fall ist der Gleichspannungswandler 31 bidirektional ausgeführt, sodass die Batterie 24 ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann.
Figur 4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 , beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Fahrzeugen mit einem 48-Volt-Generator, einem 14-Volt- Starter und einem Boost-Rekuperationssystem.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen Starter-Generator 30, welcher einen
Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) starten kann und von diesem betreibbar ist. Der Starter-Generator 30 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Lastwiderstände angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Hochspannungsverbrauchern 25 des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die Betriebsspannung von 48 Volt in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Die Lithium- Ionen-Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 Volt bevorzugt eine
Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können.
Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n auf, wobei den
Batterieeinheiten 41 mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten
Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt. Den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind Einzelspannungsabgriffe 80-1 1 , 80-12, 80-21 , 80-22, ...80-n1 , 80-n2 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Die Koppeleinheit 33 ist eingerichtet, zumindest eine der Batterieeinheiten 41 der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 zu dessen Betrieb oder Unterstützung durchzuschalten, und diese bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 geeignet zu verschalten.
Die Koppeleinheit 33 koppelt das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem
Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V. Der Aufbau und die
Funktionsweise der Koppeleinheit 33 werden mit Bezug zu den Figuren 5 bis 7 beschrieben.
Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer
Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lithium-Ionen-Batterie 40 die Versorgung von Ruhestromverbrauchern, welche als Verbraucher 25, 29 dargestellt sind, bei abgestelltem Fahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Fahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie während der Standzeit die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird. Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Energiespeicher 28 angeordnet, der kurzzeitig sehr hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist, und als ein
Pufferspeicher fungiert. Der Energiespeicher 28 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41 weiter vermieden werden. Wird als
Energiespeicher 28 ein Kondensator eingesetzt, so ist dessen Dimensionierung bevorzugt:
^ max ^ umschalt
AU wobei Lax der maximale Bordnetzstrom ist, der während der Umschaltvorgänge im I fließen kann, tumschait die Zeitdauer, während welcher keine Batterieeinheit 41 für die
Versorgung bereit steht, und AUmax die maximal zulässige Veränderung der
Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs. Figur 5 zeigt eine Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45, welche die Eigenschaft aufweisen, dass sie in einem Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und in einem zweiten Zustand„aus" eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einfachen Halbleiterschaltern, wie z.B. IGBT-Schaltern, da diese in Rückwärtsrichtung aufgrund ihrer intrinsischen Diode keine Sperrspannung aufnehmen können. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromflussrichtung sind in Figur 5 zwei verschiedene Schaltertypen eingezeichnet, nämlich RSSJ 45 und RSS_r 44, die sich in ihrer Fertigung nicht unterscheiden müssen, sondern lediglich mit unterschiedlicher Polarität verbaut sind. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 wird mit Bezug zu Figur 9 beschrieben.
In der Koppeleinheit 33 werden die Einzelspannungsabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 jeweils einem der unterschiedlichen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 und RSS_r 44 zugeführt. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 werden ausgangsseitig der
Koppeleinheit 33 mit dem Pluspol 52 verschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 werden ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf den Minuspol 51 geschaltet. Die Koppeleinheit 33 umfasst vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90, welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter 90 wird mit Bezug zu Figur 9 beschrieben. In der
Koppeleinheit 33 werden die Einzelabgriffe der Batterieeinheiten 41 verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 verbinden die Batterieeinheiten 41 seriell miteinander, falls die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41 ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 angeordnet, sodass bei n Batterieeinheiten 41 n-1 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , VSS 90-2, ...VSS 90-Π-1 vorgesehen sind.
Mit dem Bezugszeichen 73 ist der Strompfad durch die Batterieeinheiten 41 zur Versorgung des Hochspannungsteilnetzes dargestellt. Sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter 90 sind dabei geschlossen. Nach einer Ausführungsform ist das Bordnetz bzw. das Steuersystem so eingerichtet, dass die Batterie 40 den Starter-Generator 30 nur dann mit Energie zu versorgen vermag, wenn alle vorwärtssperrfähigen Schalter 90 eingeschaltet sind. Für das Laden der Batterie 40 müssen die vorwärtssperrfähigen Schalter 90 nicht zwingend eingeschaltet sein, da die intrinsischen Dioden der vorwärtssperrfähigen Schalter 90 den Ladestrom führen können. Bevorzugt werden die vorwärtssperrfähigen Schalter 90 immer dann eingeschaltet, wenn kein Parallelbetrieb für die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes 21 stattfindet, um die Verlustleistung innerhalb der
vorwärtssperrfähigen Schalter 90 zu reduzieren.
Die Verwendung der vorwärtssperrfähigen Schalter 90 ermöglicht außerdem, zwei oder mehr Batterieeinheiten 41 zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel zu schalten. In diesem Fall werden die betroffenen vorwärtssperrfähigen Schalter 90 in den Zustand „Aus" gesteuert, wie mit Bezug zu Figur 8 erläutert wird. Bei einem unterschiedlichen
Spannungsniveau der parallel geschalteten Batterieeinheiten 41 erfolgt der Energiefluss in das Niederspannungsteilnetz 21 nur aus derjenigen Batterieeinheit 41 , die das höhere Spannungsniveau aufweist. Der Energiefluss von der Batterieeinheit 41 mit der höheren Spannungslage in die Batterieeinheit 41 mit der niedrigeren Spannungslage wird durch die rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 unterbunden, die der Batterieeinheit 41 mit der geringeren Spannung zugeordnet sind. Während der Parallelschaltung von Batterieeinheiten 41 sind die vorwärtssperrfähigen Schalter 90 ausgeschaltet und der Generator speist idealerweise keine Energie in das Hochspannungsteilnetz 20 ein. Figur 6 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus der
Batterieeinheit 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSS_r 44-i. Vom Pluspol 52 führt dabei ein Strompfad 71 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51 . Die weiteren
rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 sind hierbei ausgeschaltet.
Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des
Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41 zugeschaltet ist bzw. sind. In keinem der Betriebszustände weist eines der Potentiale jedoch einen Betrag auf, der eine Spannungsgrenze in Höhe der Summe der Hochspannung und der
Niederspannung überschreitet, d.h. bei einem 48-Volt-Netz und einem 14-Volt-Netz in etwa 62 Volt. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des
Niederspannungsteilnetzes 21 auftreten.
Der Betrieb des Starter-Generators 30 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 . In der durchgeschalteten
Batterieeinheit 41 , die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine
Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Starter-Generator 30 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (Motorbetrieb). Solange die zulässigen Grenzen der Batteriezellen, z.B. der maximal zulässige Entladestrom der Zellen, nicht überschritten werden, können diese Vorgänge unabhängig voneinander betrachtet werden. Damit das Niederspannungsteilnetz 21 sicher versorgt wird, wird immer zumindest eine der Batterieeinheiten 41 über die zugehörigen Schalter 44, 45, 90 der Koppeleinrichtung 33 zugeschaltet. Aufgrund der mehrfach redundanten Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes 21 kann mit der vorgestellten Architektur ein System aufgebaut werden, welches eine sehr hohe Verfügbarkeit der elektrischen Energie im
Niederspannungsteilnetz 21 aufweist.
Figur 7 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus den
Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die zweite Batterieeinheit 44-2 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS r 44-i zum Minuspol 51. Vom
Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-j über die erste durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -1 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-j zum Minuspol 51.
Figur 8 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j und den geöffneten vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , welcher sich zwischen den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 befindet. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 72 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die erste Batterieeinheit 41 -1 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-j zum Minuspol 51 . Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 71 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-j über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51. Wenn der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41 -1 und die zweite Batterieeinheit 41 -2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Der Pluspol der ersten Batterieeinheit 41 -1 ist dabei elektrisch hochohmig geschaltet. Für den Fall, dass eine Umschaltung der Batterieeinheiten 41 mit unterbrechungsfreier
Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 erfolgen soll, müssen die vorwärtssperrfähigen Schalter 90 eingeschaltet bleiben. Es wird daher ein erstes Umschaltverfahren angegeben, bei welchem in einem ersten Schritt a) die den zugeschalteten Batterieeinheiten 41 zugeordneten rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 ausgeschaltet werden. In einem zweiten Schritt b) erfolgt daraufhin, mit einer Verzögerung, deren Dauer im Wesentlichen von Eigenschaften der eingesetzten Schalter 44, 45 abhängt, die Zuschaltung der
zuzuschaltenden Batterieeinheiten 41 zu dem Niederspannungsteilnetz 21.
Wenn beispielsweise in Figur 7 von Batterieeinheit 41 -2 auf 41 -1 gewechselt werden soll, werden die der zunächst stromführenden Batterieeinheit 41 -2 zugeordneten
rückwärtssperrfähigen Schalter 45-j, 44-i ausgeschaltet und die anderen
rückwärtssperrfähigen Schalter 45-i, 44-j eingeschaltet. Würde die Koppeleinheit 33 die Schaltbefehle für die Schalter 45-i, 44-i, 45-j, 44-j synchron bekommen, so würde aufgrund der Funktionsweise der rückwärtssperrfähigen Schalter der Pluspol 52 des
Niederspannungsteilnetzes während der Schaltphase der Leistungsschalter mit dem höheren Potential der beiden Batterieeinheiten verbunden und der Minuspol 51 während der Schaltphase mit dem niedrigeren Potential der beiden Batterieeinheiten. Damit würde kurzfristig eine wesentlich größere Spannung an das Niederspannungsteilnetz 21 angelegt als die Spezifikation des Niederspannungsteilnetzes erlaubt. Im dargestellten Beispiel in Figur 7 würde dem Niederspannungsteilnetz 21 wegen der in Serie geschalteten
Batterieeinheiten 41 kurzfristig die Summe der Teilspannungen der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 bereitgestellt werden. Um diese Überspannungen zu vermeiden, wird bei dem
Umschalten der Koppeleinheit 33 wie folgt vorgegangen: - Die Umschaltung erfolgt so, dass die rückwärtssperrfähigen Schalter 44-i, 45-j der aktuell Strom führenden Batterieeinheit, im dargestellten Beispiel die Batterieeinheit 41 -2, zuerst abgeschaltet werden und nachdem die Schalter der bisher Strom führenden
Batterieeinheit 41 -2 keinen Strom mehr führen, werden die rückwärtssperrfähigen Schalter 44-j, 45-i der Batterieeinheit 41 -1 , welche die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes 21 übernehmen sollen, eingeschaltet. Das beschriebene Prinzip wird auch als„Break-before-Make" bezeichnet.
Die Verzögerung zwischen dem Aus- und Einschalten ist erforderlich, da sonst die Spannung im Niederspannungsteilnetz 21 während der Übergangsphase in allen Schaltvorgängen auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde, in dem in Figur 7 dargestellten Fall auf die Summe der Spannungen der Batterieeinheiten 41 -1 und 41 -2, also auf den doppelten Wert. Wenn die Koppeleinrichtung 33 mit einer Verzögerungszeit geschaltet wird, bedeutet dies aber, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 kurzzeitig unterbrochen wird. Um einen unzulässigen Spannungseinbruch zu vermeiden, kann gemäß einigen
Ausführungsformen eine Pufferung mittels des Energiespeichers 28 vorgenommen werden. Falls als Energiespeicher 28 ein Kondensator eingesetzt wird, so erfolgt dessen
Dimensionierung bevorzugt wie mit Bezug zu Figur 4 beschrieben.
Der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz 21 kann weiter vorteilhaft verringert werden, wenn die Umschaltung zu solchen Zeitpunkten erfolgt, bei denen der Bordnetzstrom möglichst gering ist. Dieses kann beispielsweise durch Auswertung eines Signals für den Bordnetzstrom und davon abhängiger Ansteuerung der Schalter der Koppeleinheit erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine Synchronisierung mit einem
Verbrauchermanagementsystem erfolgen, um Hochspannungsverbraucher, wie z.B. Heizsysteme, kurzzeitig ohne Komforteinbußen abzuschalten, um den Umschaltvorgang der Batterieeinheiten ohne nennenswerten Spannungseinbruch zu ermöglichen.
Für den weiteren Fall, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 nicht unterbrochen werden soll, ist ein weiteres Umschaltverfahren vorgesehen, wobei in einem ersten Schritt c) sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter 90 ausgeschaltet werden. Der Starter-Generator 30 speist in der Umschaltphase keine Energie in das
Hochspannungsteilnetz und arbeitet auch nicht im Boost-Betrieb. Mit kurzer Verzögerung, deren Dauer von Eigenschaften der eingesetzten Schalter abhängt, werden in einem zweiten Schritt d) die rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 der zugeordneten zuzuschaltenden
Batterieeinheit oder Batterieeinheiten 41 eingeschaltet. In einem optionalen dritten Schritt e) erfolgt, falls ein Wechsel der dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41 vorgesehen ist, die Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit 41 -1 von dem Niederspannungsteilnetz 21. Dabei kann der Wechsel auch zwischen nicht direkt
benachbarten Batterieeinheiten 41 erfolgen. In einem vierten Schritt d) werden die vorwärtssperrfähigen Schalter 90 wieder zugeschaltet. Nach der Wiederherstellung der Verbindung ist die Parallelschaltung der beiden Batterieeinheiten oder die Kommutierung von der ersten auf die zweite Batterieeinheit abgeschlossen, ohne dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 unterbrochen wurde.
Die Auswahl der Umschaltverfahren wird von dem Steuersystem getroffen, beispielsweise in Abhängigkeit davon, welches Teilnetz priorisiert versorgt werden sollte. Als weitere
Möglichkeit kann vorgesehen sein, in Betriebsphasen, in denen im Hochspannungsteilnetz nicht die volle Leistung bzw. nicht die volle Spannung der Batterie benötigt wird, auf einen Betrieb mit reduzierter Spannung überzugehen. Dann kann mit der Koppeleinheit 33 eine unterbrechungsfreie Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgen.
Figur 9 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern 90. Die Durchlassrichtung der Schalter ist dabei mit I angegeben. Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen
IGBT, MOSFET oder Bipolartransistor 101 und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In Figur 9 ist ein MOSFET dargestellt, welcher eine ebenfalls dargestellte, intrinsische Diode 102 aufweist. Die zu dem MOSFET 101 in Serie geschaltete Diode 103 ist entgegen der Richtung der intrinsischen Diode 102 des MOSFET 101 gepolt. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSS_r 44 lässt den Strom in Durchlassrichtung I durch und sperrt in entgegengesetzter Richtung. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSSJ 45 entspricht dem RSS_r 44, wird lediglich mit der umgekehrten Polarität verbaut, so dass die Durchlass- und Sperrrichtungen vertauscht sind. Ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 umfasst einen MOSFET, IGBT oder Bipolartransistor 101 , wobei dessen intrinsische Diode 102 ebenfalls dargestellt ist. Die Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und VSS 90 zeichnen sich insbesondere auch durch eine kaum merkliche Verzögerung bei den Schaltvorgängen aus, d. h. erlauben eine sehr kurze Umschaltdauer. Über eine geeignete Ansteuerschaltung kann die
Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten der Schalter sehr genau eingestellt werden.
Figur 10 zeigt die Einstellung von Schaltzuständen in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsphasen. In Figur 10 sind vier verschiedene Betriebsphasen 102, 103, 104, 105 dargestellt, deren Detektion oder Einstellung zu einer Umstellung 101 der Schaltzustände der Koppeleinrichtung führen. Eine erste Betriebsphase 102 ist eine passive Phase des Systems, beispielsweise ein abgestelltes Fahrzeug oder parkendes Fahrzeug. Eine zweite Betriebsphase 103 ist eine Startphase des Systems, beispielsweise ein Kraftfahrzeugstart. Eine dritte Betriebsphase 104 ist eine Start-Stoppphase des Systems, beispielsweise ein Start-Stopp-Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Eine vierte Betriebsphase 105 ist eine aktive Phase des Systems, beispielsweise ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs.
Die den Figuren 10 bis 14 zugrundeliegende Batterie umfasst beispielhaft vier
Batterieeinheiten, die dem Hochspannungsteilnetz jeweils 12 V Spannung bereitstellen können. Die Koppeleinheit ist dabei eingerichtet, zumindest die folgenden Betriebszustände bereitzustellen:
Konfiguration Schaltzustände HochspannungsNiederspannungsteilteil netz netz
1 s4p 3 vorwärtssperrfähige 12V Versorgung aus der 1 s4p
Schalter zwischen 4 Batterieeinheit benachbarten
Batterieeinheiten
ausgeschaltet, 8
rückwärtssperrfähige
Schalter dieser
Batterieeinheiten
eingeschaltet
2s1 p + 1 s2p 1 vorwärtssperrfähiger 36V Versorgung aus der 1 s2p
Schalter zwischen 2 Batterieeinheit benachbarten
Batterieeinheiten ausgeschaltet, 4
rückwärtssperrfähige
Schalter dieser
Batterieeinheiten
eingeschaltet
1 s1 p + 1 s3p 2 vorwärtssperrfähige 24V Versorgung aus der 1 s3p
Schalter zwischen 3 Batterieeinheit benachbarten
Batterieeinheiten
ausgeschaltet, 6
rückwärtssperrfähige
Schalter dieser
Batterieeinheiten
eingeschaltet
4s1 p Alle 48V Versorgung aus einer vorwärtssperrfähigen der 4 Batterieeinheiten Schalter eingeschaltet,
2 rückwärtssperrfähige
Schalter für
Niederspannungsteilnetz eingeschaltet
Die Tabelle zeigt Konfigurationen der Batterie, die über die Koppeleinrichtung eingestellt werden können. XsYp bedeutet X Zellen in Serienschaltung und Y Zellen in
Parallelschaltung. Zum Beispiel bedeutet 2s1 p eine Serienschaltung von zwei
Batterieeinheiten und 1 s2p eine Parallelschaltung von zwei Batterieeinheiten.
Figur 1 1 zeigt Konfigurationen des Batteriesystems bei der ersten Betriebsphase 102, d. h. beispielsweise bei abgestelltem Fahrzeug. Eine erste Konfiguration 1 10 ist 1 s4p, d. h. eine Batterieeinheit ist dem
Hochspannungsteilnetz zugeschaltet und alle, d. h. hier vier Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Diese Konfiguration wird bei der ersten Betriebsphase 102 bevorzugt. Sie wird dann eingestellt, wenn der Ruhebetrieb des
Hochspannungsteilnetzes durch die von lediglich einer Batterieeinheit bereitstellbaren Spannung möglich ist. In der Konfiguration 1 10 erfolgt eine Versorgung 1 14 des
Hochspannungsteilnetzes mit der von einer Batterieeinheit bereitstellbaren Energie.
Zusätzlich kann ein Balancing 1 15 der Batterieeinheiten erfolgen, d. h. ein Ausgleich der Ladungen der einzelnen Batterieeinheiten. Bei einer Parallelschaltung der Batterieeinheit zur 1 s4p-Konfiguration 1 10 erfolgt die Entladung der Batterieeinheit mit dem höchsten
Ladezustand automatisch, und es stellt sich ein Balancing der Batterieeinheiten ein. Bei einer zweiten Konfiguration 1 1 1 , nämlich 2s1 p + 1 s2p, wobei ein vorwärtssperrfähiger Schalter zwischen zwei benachbarten Batterieeinheiten ausgeschaltet ist und vier rückwärtssperrfähige Schalter dieser Batterieeinheiten eingeschaltet sind, erfolgt die
Versorgung 1 16 des Hochspannungsteilnetzes mit einer reduzierten Spannung, hier beispielsweise mit der Hälfte der Hochspannung. Ein Balancing 1 17 der Batterieeinheiten ist über einen Wechsel der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes möglich. Eine
Versorgung 1 18 des Niederspannungsteilnetzes ist bei einem Wechsel der Batterieeinheit unterbrechungsfrei möglich. In einer dritten Konfiguration 1 12, nämlich 1 s1 p + 1 s3p, bei welcher zwei vorwärtssperrfähige Schalter zwischen drei benachbarten Batterieeinheiten ausgeschaltet sind und sechs rückwärtssperrfähige Schalter dieser Batterieeinheiten eingeschaltet sind, erfolgt eine Versorgung 1 19 des Hochspannungsteilnetzes mit einer reduzierten Spannung, hier beispielsweise mit drei Viertel der Hochspannung. Ein Balancing 120 der Batterieeinheiten kann über einen Wechsel in der Versorgung 121 des Niederspannungsteilnetzes erfolgen. Eine Versorgung 121 des Niederspannungsteilnetzes ist dabei unterbrechungsfrei möglich.
Die zweite und die dritte Konfiguration 1 1 1 , 1 12 werden bevorzugt dann eingestellt, wenn das Hochspannungsteilnetz zwar mit reduzierter Spannung versorgt werden kann, diese Spannung aber notwendigerweise höher als die von einer Batterieeinheit bereitstellbare Niederspannung ist. Bei allen Konfigurationen mit Ausnahme der ersten Konfiguration 1 10 wird das Balancing der Batterieeinheiten durch einen Wechsel jener Batterieeinheit durchgeführt, die zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes herangezogen wird. Ein solcher Wechsel kann entweder mit kurzer Unterbrechung der direkten Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus einer Batterieeinheit und damit mit entsprechenden
Maßnahmen zur Pufferung des Bordnetzes erfolgen, beispielsweise mittels eines
Kondensators, oder mit einer unterbrechungsfreien Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes. Im letztgenannten Fall muss allerdings in der Umschaltphase hingenommen werden, dass die Spannung im Hochspannungsteilnetz kurzzeitig begrenzt ist, beispielsweise auf zwei Drittel.
Falls das Hochspannungsteilnetz auch in der ersten Betriebsphase 102 mit der
Hochspannung versorgt werden soll, kann eine vierte Konfiguration 1 13, nämlich 4s1 p eingestellt werden. Bei dieser Konfiguration erfolgt eine Versorgung 122 des
Hochspannungsteilnetzes mit der Summenspannung der Batterieeinheiten, zusätzlich kann ein Balancing 123 der Batterieeinheiten über einen Wechsel der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgen. Die Versorgung 124 des Niederspannungsteilnetzes erfolgt aus einer einzigen Batterieeinheit. Bei einem Wechsel der zugeschalteten
Batterieeinheit erfolgt die Versorgung 124 des Niederspannungsteilnetzes nicht
unterbrechungsfrei, oder es erfolgt ein Einbruch der Hochspannungsversorgung 122.
Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgt in der vierten Konfiguration 1 13 während der Abstellphase aus jener Batterieeinheit, die den höchsten Ladezustand aufweist. Durch diese Auswahlvorschrift wird sichergestellt, dass die Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird als die weiteren Batterieeinheiten.
In Figur 12 ist die Einstellung der Schaltzustände in der zweiten Betriebsphase 103 dargestellt, beispielsweise den Start des Kraftfahrzeugs. Damit das System auf der
Hochspannungsteilnetzseite seine maximal mögliche Leistung abgeben kann, werden alle Batterieeinheiten zu einer Konfiguration 120 in Serie geschaltet, d. h. im Beispiel mit vier Batterieeinheiten zu 4s1 p. Somit erfolgt eine Versorgung 121 des Hochspannungsteilnetzes mit maximal möglicher Leistung der Batterie, eine Versorgung 122 des
Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit mit dem größten Ladezustand (state of Charge, SOC). Hierbei wird diejenige Batterieeinheit ausgewählt, welche den größten Ladezustand aufweist. Außerdem erfolgt eine Optimierung 123 der SOC-Differenz der Batterieeinheiten.
Figur 13 zeigt die Konfiguration des Batteriesystems für die dritte Betriebsphase 104, beispielsweise den Start-Stopp-Betrieb. Die dritte Betriebsphase 104 weist einen
Stoppbetrieb 131 und einen Startbetrieb 132 auf. Bei dem Stoppbetrieb 131 gelten die gleichen Aussagen wie für die erste Betriebsphase102, welche mit Bezug zu Figur 1 1 beschrieben wurde. Die Auswahl der Konfiguration des Batteriesystems erfolgt daher bevorzugt nach denselben Kriterien. Falls das Hochspannungsteilnetz bei dem Stoppbetrieb 131 mit einer Niederspannung auskommen kann, wird bevorzugt die Konfiguration 1 s4p eingestellt. Eine Versorgung 133 der Hochspannungsverbraucher erfolgt mit der Leistung, welche durch eine Batterieeinheit bereitgestellt wird. Eine Versorgung 134 der
Niederspannungsverbraucher erfolgt aus derjenigen Batterieeinheit mit dem größten SOC. Außerdem erfolgt eine Optimierung 135 der SOC-Differenz der Batterieeinheiten und eine Optimierung 136 bezüglich der Erhaltung der Leistungsfähigkeit für den Start. Für den anschließenden Startbetrieb wird auf die Konfiguration 132 gewechselt. Dabei erfolgt eine Abgabe 137 maximaler Leistung für den Start durch die Batterie, eine Versorgung 138 des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit mit dem größten SOC und eine Optimierung 139 der SOC-Differenz der Batterieeinheiten. Figur 14 zeigt die Konfiguration des Batteriesystems in der vierten Betriebsphase 105, beispielsweise im Fahrbetrieb. Die vierte Betriebsphase 105 weist einen Boost- Betriebszustand 141 und einen Rekuperationsbetriebszustand 142 auf, sowie einen
Betriebszustand 143, in denen der Starter-Generator keine Energie in das Bordnetz einspeist und einen Betriebszustand 144, in denen der Starter-Generator nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz einspeist, beispielsweise weniger als 12 V oder als 24 V.
Im Boost-Betriebszustand 141 soll das Batteriesystem möglichst hohe Leistung an den Starter-Generator abgeben und im Rekuperationsbetriebszustand 142 mit möglichst hoher Leistung geladen werden können. Zusätzlich soll bei diesen beiden Betriebsarten 141 , 142 möglichst viel Energie bereitgestellt bzw. aufgenommen werden können. Daher wird in diesen beiden Betriebsarten 141 , 142 die Konfiguration 4s1 p eingestellt. Im Boost- Betriebszustand 141 erfolgt dabei eine Abgabe 145 maximaler Leistung für den Boost durch die Batterie, eine Versorgung 146 des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen
Batterieeinheit mit dem größten SOC und eine Optimierung 147 der SOC-Differenz der Batterieeinheiten. Im Rekuperationsbetriebszustand 142 erfolgt eine Ladung 148 mit maximaler Leistung durch die Batterie, eine Versorgung 149 des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit mit dem größten SOC und eine Optimierung 150 der SOC- Differenz der Batterieeinheiten. In den Betriebszuständen 143, 144, in denen der Starter-Generator keine Energie in das Bordnetz einspeist oder nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz einspeist, beispielsweise um den Energiebedarf zu decken, wenn längere Zeit keine
Rekuperationsphase aufgetreten ist, können prinzipiell alle vier Konfigurationen 1 s4p, 2s1 p + 1 s2p, 1 s1 p + 1 s3p oder 4s1 p eingestellt werden, was durch Bezugszeichen 151 und 152 angedeutet ist. In diesen Phasen keiner oder geringer Generatorleistung 143, 144 gelten die für die Betriebsphase abgestelltes Fahrzeug getroffenen Aussagen. Falls die Spannung im Hochspannungsteilnetz in solchen Betriebsphasen bis auf die Niederspannung abgesenkt werden kann, wird die Einstellung der 1 s4p-Konfiguration bevorzugt. Dann verhält sich dessen Bordnetz nahezu wie ein Standard-Niederspannungsbordnetz, bei dem der
Generator die mittlere Bordnetzlast deckt. Mit der beschriebenen Vorgehensweise können die Schaltzustände der Koppeleinrichtung für alle vier verschiedenen Betriebsphasen 102, 103, 104, 105 des Fahrzeugs nach einer definierten Vorschrift eingestellt werden. An solchen Stellen, bei denen die Beschreibung noch Optionen oder Alternativen offen lässt, wird durch die Randbedingung bei der spezifischen Ausführung des Hochspannungsteilnetzes Eindeutigkeit geschaffen, zum Beispiel die Möglichkeit, das Hochspannungsteilnetz auch mit Niederspannung betreiben zu können. Der Betriebszustand 1 s4p ist insbesondere auch dann von Interesse, wenn das
Hochspannungsteilnetz nicht zur Versorgung von Hochspannungsverbrauchern, sondern zur Optimierung der Maximalleistung des Starter-Generators eingesetzt wird. Dann kann der Generator bei moderaten Leistungen bei der Niederspannung betrieben werden, und die Parallelschaltung aller Batterieeinheiten bewirkt, dass sich ein Bordnetz mit ähnlicher Funktion wie das Niederspannungsteilnetz gemäß heutigem Stand der Technik einstellt. Der Generator kann direkt den mittleren Bordnetzstrom liefern, die Batterie dient in diesem Zustand als Pufferspeicher. Werden alle Batterieeinheiten über die Schalter der
Koppeleinheit parallel an die Niederspannungsteilnetzversorgung angeschlossen, so wird automatisch diejenige Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand entladen, und es stellt sich automatisch das Balancing der Batterieeinheiten ein. Wird ausgehend von diesem
Zustand eine hohe Leistung des Starter-Generators gefordert, zum Beispiel im Boost-Betrieb oder kann bei einem Rekuperationsvorgang Energie mit so hoher Leistung zurückgespeist werden, dass dies im Niederspannungsbetrieb des Starter-Generators nicht realisierbar ist, so wird die Batterie über Änderungen der Schaltzustände in der Koppeleinheit auf eine 4s1 p- Konfiguration umkonfiguriert. Bei Verwendung schneller Halbleiterschaltungen der
Koppeleinrichtung können die hierfür erforderlichen Schaltzeiten sehr klein gehalten werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen
fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1 . Bordnetz (1 ) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1 ) ein
Niederspannungsteilnetz (21 ) für zumindest einen Niederspannungsverbraucher (29) und ein Hochspannungsteilnetz (20) für zumindest einen Hochspannungsverbraucher (25) und einen Starter-Generator (30) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21 ) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, wobei das Bordnetz (1 ) eine Batterie (40) aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz (20) einzuspeisen, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41 ) mit Einzelspannungsabgriffen (42) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind, wobei die Koppeleinheit (33) dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten und einen zweiten Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem ersten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz (20) aus allen Batterieeinheiten (41 ) der Batterie (40) gespeist wird und das
Niederspannungsteilnetz (21 ) aus einer Batterieeinheit (41 ) gespeist wird und in dem zweiten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz (20) aus einer Batterieeinheit (41 ) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21 ) aus zumindest einer Batterieeinheit (41 ) gespeist wird.
2. Bordnetz (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (41 ) jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind.
3. Bordnetz (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) rückwärtssperrfähige Schalter (44, 45) und/oder vorwärtssperrfähige Schalter (90) aufweist.
4. Bordnetz (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand zumindest zwei Batterieeinheiten (41 ) bezüglich des Niederspannungsteilnetzes (21 ) zueinander parallel geschaltet sind.
5. Bordnetz (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebszustand zumindest zwei Batterieeinheiten (41 ) bezüglich des Hochspannungsteilnetzes (20) seriell geschaltet sind.
6. Bordnetz (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) dazu eingerichtet ist, zumindest einen weiteren
Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem weiteren Betriebszustand das
Hochspannungsteilnetz (20) aus mehreren Batterieeinheiten (41 ) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21 ) aus mehreren parallel geschalteten
Batterieeinheiten (41 ) gespeist wird.
7. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Bordnetz (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerung der Koppeleinheit zur Einstellung des ersten oder zweiten
Betriebszustands in Abhängigkeit einer Betriebsphase (102, 103, 104, 105) des Kraftfahrzeugs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Betriebsphase (102) ein abgestelltes Fahrzeug oder parkendes Fahrzeug ist und/oder eine zweite Betriebsphase (103) ein Kraftfahrzeugstart ist und/oder eine dritte Betriebsphase (104) ein Start-Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs ist und/oder eine vierte
Betriebsphase (105) ein Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes (21 ) aus derjenigen Batterieeinheit (41 ) erfolgt, die den höchsten Ladezustand aufweist.
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