EP3791193A1 - Batterieeinheit und verfahren zum betrieb einer batterieeinheit - Google Patents

Batterieeinheit und verfahren zum betrieb einer batterieeinheit

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EP3791193A1
EP3791193A1 EP19724102.9A EP19724102A EP3791193A1 EP 3791193 A1 EP3791193 A1 EP 3791193A1 EP 19724102 A EP19724102 A EP 19724102A EP 3791193 A1 EP3791193 A1 EP 3791193A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
battery
converter
baterieeinheit
sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19724102.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Hohenauer
Manuel Fuchs
Klaus-Juergen Schuler
Andreas Lemke
Jens KOERNER
Bjoern KEPPLER
Ronny GROSCHKE
Christian Wilhelm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
    • G—PHYSICS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • H01M50/569—Constructional details of current conducting connections for detecting conditions inside cells or batteries, e.g. details of voltage sensing terminals
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/005—Detection of state of health [SOH]
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery unit for use on an electrical system of a motor vehicle, comprising a battery module for generating a first voltage which is applied between a positive pole of the battery unit and a negative pole of the battery unit, a battery sensor which is electrically connected to the negative pole, and a control having a first terminal electrically connected to the positive pole and comprising a DC-DC converter.
  • the invention also relates to a method for operating a battery unit according to the invention on a vehicle electrical system of a motor vehicle.
  • lead-acid batteries are generally used as energy stores in a 12V vehicle electrical system.
  • a lead-acid battery which has a positive pole and a negative pole, serves inter alia as a starter battery for starting the
  • the electrical system and its functionalities are tailored to the properties of the lead-acid battery, such as internal resistance, charge-discharge characteristic and open circuit voltage.
  • properties of the lead-acid battery such as internal resistance, charge-discharge characteristic and open circuit voltage.
  • Bordnetze of motor vehicles with other rated voltages, such as 24V known are also known.
  • the state, in particular the state of charge, of the lead-acid battery is used by the motor vehicle as the basis for functions of an energy management and can therefore have a massive negative influence on the vehicle behavior and the availability in the event of incorrect detection. Safety-relevant functionalities of the motor vehicle can also be affected.
  • a battery sensor connected to the negative pole and the positive pole of the lead-acid battery will detect the status of the lead-acid battery.
  • the battery sensor measures, inter alia, a current flowing through the lead-acid battery and a voltage applied to the terminals of the lead-acid battery. From the measured values, the battery sensor determines in particular the state of charge and the aging of the lead-acid battery.
  • a lead-acid battery fails, it may be advantageous to replace it with a lithium-ion battery.
  • a lithium-ion battery has different characteristics than a lead-acid battery due to the different technology. These include, inter alia, a lower
  • replacing a lithium-ion battery would not only replace the conventional lead-acid battery, but also the battery sensor and its functionality. Due to a high number of variants of the vehicles on the market, as well as lead-acid battery and battery sensors, this does not seem feasible. It is desirable, in particular in the case of failure of a lead-acid battery in a motor vehicle, to replace it with a battery unit which has a battery module with lithium-ion battery cells. In this case, the already existing in the motor vehicle battery sensor should also be used.
  • a generic battery unit with a lithium-ion battery module which has a housing whose dimensions correspond to those of a housing of a conventional lead-acid battery.
  • the battery unit also includes one or more DC-DC converter, whereby several different output voltages are available at different poles of the battery unit.
  • US 2015/0293180 A1 discloses a battery which comprises a lithium-ion battery module and a lead-acid battery module.
  • the battery also includes a battery sensor that determines the state of the lithium-ion battery module and the lead-acid battery module.
  • DE 11 2011 104 650 T5 discloses a motor vehicle with a lead-acid battery.
  • DE 102 48 679 A1 discloses a vehicle electrical system with a battery and a DC-DC converter. From DE 43 41 279 Al a circuit arrangement for an internal combustion engine is known which a
  • GB 2496398 A discloses a power supply for a vehicle having a battery and an inverter.
  • the battery unit comprises a battery module for generating a first voltage, which is applied between a positive pole of the battery unit and a negative pole of the battery unit, a battery sensor, which is electrically connected to the negative pole, and a control element, which has a first terminal, which with is electrically connected to the positive pole.
  • the control includes a
  • the battery unit is used in particular to replace a failed lead-acid battery as a starter battery for a
  • the battery module of the battery unit on a plurality of battery cells, which are designed as lithium-ion cells.
  • lithium-ion cells have a longer life, improved cycle life, higher energy density, and higher power density compared to lead-acid battery cells.
  • Battery cells are not limited to lithium-ion cells.
  • all types of secondary cells are suitable which have improved properties as lead-acid battery cells.
  • lithium Sulfur cells lithium-air cells
  • supercapacitors supercaps, SC
  • lithium capacitors solid-state electrolyte battery cells.
  • the DC-DC converter generates a second voltage, which is applied between a second terminal of the control element and the negative pole, as a function of at least one state variable of the battery module.
  • the battery sensor is electrically connected to the second terminal of the control.
  • the battery sensor has, for example, means for measuring the second
  • Voltage in particular a voltage sensor, and means for measuring a current flowing through the negative pole, in particular a
  • the battery sensor has, for example, a sensor housing in which the means for measuring the second voltage and the means for measuring the current flowing through the negative pole are arranged.
  • the battery sensor is connected, for example, by means of a pole terminal to the negative pole and mechanically fastened by means of a screw to the negative pole.
  • the battery sensor may also include a current sensor, in particular a shunt sensor.
  • the shunt sensor can be designed as a component with a defined ohmic resistance.
  • the battery sensor is connected to a control unit which has means for measuring the second voltage and / or means for determining or measuring a current flowing through the negative pole.
  • the control device in particular comprises a voltmeter for measuring a voltage drop across the ohmic resistance of the shunt sensor. This voltage drop is proportional to the flowing current.
  • the control unit is arranged separately from the battery sensor. In particular, the controller and the battery sensor are not disposed in the same sensor housing.
  • the battery sensor is therefore not electrically connected directly to the positive pole of the battery unit, but the battery sensor is electrically connected via the control and thus indirectly connected to the positive pole of the battery unit.
  • the first voltage is not applied to the battery sensor which is generated by the Bateriemodul, but the second voltage, which is generated by the DC-DC converter of the control.
  • the DC-DC converter does not generate a constant second voltage for supplying a load.
  • the second voltage applied to the Bateriesensor is of at least one state quantity of
  • the DC-DC converter can, inter alia, as an electronically controllable DC / DC converter or as an ohmic
  • Voltage divider be configured.
  • the control also serves as a source for supplying the battery sensor with electrical energy.
  • the Bateriesensor requires only a relatively low electrical power.
  • the control is designed as an approximately powerless source and provides a relatively low power to the Bateriesensor in a range of, for example, 0 mW to 1,000 mW, preferably 200 mW.
  • the state variable depending on which of the DC-DC converter of the control generates the second voltage, a state of charge (SOC) of the
  • Internal resistance of the Bateriemoduls can be state variables in the sense of the invention, depending on which of the DC-DC converter of the control generates the second voltage.
  • the first voltage at the positive pole of the battery unit is dependent in particular on the state of charge of the battery module and is thus, for example, a measure of the state of charge of the battery module.
  • the second voltage that the DC-DC converter generates is therefore dependent, for example, on the first voltage that is generated by the battery module.
  • the dependence of the second voltage on the state of charge of the Bateriemoduls and the first voltage is usually not linear.
  • the first voltage of the lead-acid battery deviates from the first voltage of the battery module with lithium-ion cells.
  • the DC voltage converter preferably generates the second voltage in such a way that, for a given state of charge of the battery module, the second voltage corresponds to a voltage between a positive pole and a negative pole of a lead-acid battery in the same state of charge.
  • the second voltage thus corresponds to the voltage at the positive pole of the lead-acid battery, which the lead-acid battery at the same
  • Battery module depending on which of the DC-DC converter of the control generates the second voltage is not linear in the rule.
  • an assignment of the state variable, depending on which of the DC-DC converter of the control generates the second voltage, fixed to the second voltage in the control element for this purpose, for example, a corresponding allocation table is stored in the control, which is also referred to as a look-up table.
  • control element has an arithmetic unit, which has an assignment of the
  • the computing unit of the control comprises, for example, a programmable processor or microcontroller, which calculates the second voltage to be generated according to a predefinable algorithm.
  • the control has, for example, a discrete circuit for
  • Control of the DC-DC converter Said circuit can both be designed as an analog circuit as well as a digital circuit.
  • the control can also take into account other variables when assigning the state variable to the second voltage, for example a
  • Battery sensor at least one communication interface for communication with a vehicle control unit.
  • the communication interface is used in particular for the transmission of measured values to the
  • the said communication interface can
  • the battery sensor comprises the current sensor, in particular the shunt sensor, and is connected to a separate control unit
  • the separate control unit can also have a communication interface for communication with a vehicle control unit.
  • the battery unit itself has no way to communicate with the vehicle, in particular with the vehicle control unit. Therefore, the
  • the battery sensor is electrically connected via an additional contact with the second terminal of the battery
  • the additional contact is thus electrically connected to the battery sensor and to the second terminal of the control.
  • the control is arranged in a housing in which the battery module is arranged.
  • the additional contact projects, for example, out of the housing.
  • the additional contact can also be designed in the form of a concave socket.
  • control is designed as an almost powerless source and provides only a relatively low power at the
  • the additional contact can therefore be used as a relatively thin pin Plug be formed and have a diameter in the range of 0.5 mm to 2.0 mm.
  • an electrical conductor, which connects the additional contact with the battery sensor may have a correspondingly small cross-section.
  • the control element can also be arranged outside the housing in which the battery module is arranged. As a result, the control is accessible from the outside and can be relatively easily replaced.
  • control can be integrated into a battery management system for
  • Control is thus not designed as a separate component, but is part of an existing battery management system.
  • control supplies a supply current for supplying the battery sensor with electrical energy.
  • the battery sensor does not need a separate one
  • the supply current is relatively low.
  • the supply current is in a range of, for example, 0 mA to 100 mA, preferably 20 mA.
  • DC converter of the control is designed as a variable ohmic resistance, which flows through the supply current.
  • variable ohmic resistance can also be referred to as a programmable resistor or as a digital potentiometer.
  • the DC-DC converter has a plurality of serially connected diodes and a plurality of switches, which are connected in parallel to each one of the diodes on.
  • the diodes are electrically arranged such that a current flow from the first terminal of the control element to the second terminal of the
  • Control in the forward direction of the diodes is possible.
  • a current flowing through the control in particular the supply current for supplying the battery sensor, a voltage drop is generated.
  • the said current flows through one of the diodes when the parallel-connected switch is open.
  • the said current flows through the parallel-connected switch when the switch is closed.
  • the second voltage can thus be generated approximately as desired, provided that the second voltage is smaller than the first voltage.
  • the DC-DC converter has a plurality of switching units, which are designed as a MOSFET, that is to say as a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.
  • the said switching units each comprise one
  • Each of said diodes in particular represents an inverse diode or body diode of the respective switching unit.
  • the DC-DC converter also has a control unit for driving the switches.
  • the control unit is designed, for example, in the form of a microcontroller.
  • the control unit has a plurality of bistable flip-flops for driving the switches.
  • Such a bistable flip-flop is also referred to as a flip-flop and represents a 1-bit memory cell.
  • Each of the bistable flip-flops comprises a control output which is connected to a respective control input of a switch, or a switching unit, the DC-DC converter.
  • the bistable flip-flops are designed as CMOS RS flip-flops.
  • Such a bistable flip-flop allows a switch, or a switching unit, the DC-DC converter permanently, but without permanent
  • the DC-DC converter can also be designed as a fixed ohmic resistance.
  • the DC-DC converter can be configured, for example, as an electronically controllable DC / DC converter.
  • the second voltage can be set approximately freely, approximately independent of the value of the first voltage.
  • the second voltage may also be greater than the first voltage.
  • a method for operating a battery unit according to the invention on a vehicle electrical system of a motor vehicle is also proposed.
  • the battery unit is installed in the motor vehicle, and the positive pole of the battery unit is connected to the electrical system of the motor vehicle.
  • the second voltage is generated by the DC-DC converter of the control element as a function of the state variable of the battery module.
  • the second voltage is generated in such a way that depending on a value of the second voltage, the battery sensor emits a control signal via a communication interface for communication with a vehicle control device.
  • specific voltage levels can be defined and assigned to special control signals.
  • a voltage level of 1 V can be assigned to a control signal, which conveys that the battery module is defective or no longer connected to the electrical system of the motor vehicle.
  • a voltage level of 20V can be used Control signal are assigned, which conveys that the battery module is currently not to be loaded.
  • a nominal voltage of 24 V can
  • a voltage level of 40 V can be assigned to a control signal, which conveys that the battery module is currently not to be charged.
  • the battery unit or the control element or a battery management system present in the battery unit itself have no possibility of communicating with the vehicle, in particular with the vehicle control unit. Therefore, the communication is done indirectly via the
  • a battery unit according to the invention and a method according to the invention are advantageously used on a vehicle electrical system of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle with an internal combustion engine and in particular for replacement of a conventional lead-acid battery.
  • a vehicle electrical system of a motor vehicle in particular of a motor vehicle with an internal combustion engine and in particular for replacement of a conventional lead-acid battery.
  • other uses for example, on electrical systems other motor vehicles such as hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles and
  • the invention allows replacement of a conventional 12V lead-acid battery with a 12V lithium-ion battery while ensuring all
  • Characteristics of the exchanged lead-acid battery is tuned, can be maintained and is thus part of the newly inserted battery unit.
  • the control with the DC-DC converter thus enables the use of a lithium-ion battery in motor vehicles, which are tuned to the properties of a lead-acid battery.
  • the control can be designed in particular as an approximately powerless source and removes the
  • the voltage applied to the positive pole first voltage to a second voltage at the Bateriesensor can be imaged, which corresponds to the voltage at the pole terminals of the lead-acid battery under the same conditions, especially at the same state of charge. This ensures that the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery unit according to a first embodiment on a vehicle electrical system of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a battery unit according to a second embodiment on an electrical system of a motor vehicle
  • FIG. 3 is a schematic representation of a battery unit according to a third embodiment of a vehicle electrical system of a motor vehicle;
  • FIG. 4 shows a perspective view of a battery unit according to the first embodiment without a battery sensor
  • FIG. 5 shows a batery sensor
  • Figure 6 is a schematic representation of a control
  • Figure 7 is a schematic representation of a bistable flip-flop.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery unit 10 according to a first embodiment of an on-board network 50 of a motor vehicle, not shown here.
  • the voltage-carrying supply lines are referred to in the motor vehicle in this context.
  • the electrical system 50 in the present case has a nominal voltage of 12 volts with respect to a ground line 55 in the motor vehicle.
  • the battery unit 10 has a battery sensor 52.
  • the battery unit 10 includes a positive pole 12, which is connected to the electrical system 50.
  • the battery unit 10 also includes a negative pole 11 which is connected to the battery sensor 52.
  • the battery sensor 52 is also connected to the ground line 55. Further, the battery sensor 52 is connected by means of a communication interface 53 with a higher-level vehicle control unit.
  • the battery unit 10 comprises a battery module 20, which several
  • Battery cells which are designed as lithium-ion cells.
  • the battery cells are connected in series, for example, and deliver one
  • the battery module 20 has a negative terminal 21 and a positive terminal 22. Between the terminals 21, 22 of the battery module 20 is supplied by the said battery cells nominal voltage of 12 volts.
  • the battery module 20 is arranged in a housing 24.
  • the negative pole 11 and the positive pole 12 project out of the housing 24.
  • the negative terminal 21 is electrically connected to the negative pole 11, and the positive terminal 22 is electrically connected to the positive pole 12.
  • the poles 11, 12 is also that of the battery cells of the
  • Battery module 20 supplied nominal voltage of 12 volts.
  • the battery unit 10 also includes a battery management system 40 for monitoring and controlling the battery module 20.
  • Bateriemanagementsystem 40 is presently also within the housing 24th
  • the battery unit 10 further comprises a control element 30.
  • the control element 30 has a first connection 31, which is electrically connected to the positive pole 12.
  • the control element 30 also has a second connection 32, which is electrically connected to the Bateriesensor 52.
  • the control element 30 is presently also in the housing 24.
  • the Bateriesensor 52 is present outside of the housing 24.
  • the electrical connection of the second terminal 32 of the control element 30 with the Bateriesensor 52 happens in the present case via an additional contact 13, which protrudes from the housing 24.
  • the additional contact 13 may also be configured in the form of a concave socket.
  • Battery module 20 supplied nominal voltage of 12 volts, which in
  • the first voltage At the second terminal 32 of the control 30 is applied to a second voltage, which of the
  • Control 30 is generated.
  • the second voltage is applied to the additional contact 13 and the Bateriesensor 52.
  • control element 30 comprises a DC-DC converter 35, which generates the second voltage at the second terminal 32 as a function of a state variable of the battery module 20.
  • the state variable of the battery module 20 is one
  • Battery module 20 depends on the first voltage at the positive pole 12.
  • an assignment of the first voltage to the second voltage is fixed, for example in the form of an allocation table.
  • the DC-DC converter 35 may be a controllable DC / DC converter.
  • the DC-DC converter 35 can also be used as ohmic Voltage divider be configured. Further, the DC-DC converter 35 may be configured as a fixed or as a variable resistance. Also, the DC-DC converter 35 may include a plurality of serially connected diodes Dl, D2, D3, D4, as exemplified in FIG.
  • the battery sensor 52 inter alia measures the second voltage, which generally deviates from the first voltage. Also, the battery sensor 52 measures a current flowing from the ground line 55 to the negative pole 11 which corresponds to a current through the battery module 20 and the battery unit 10.
  • the battery sensor 52 determines a state of
  • the state of the battery module 20 includes in particular a state of charge of the battery module 20.
  • the battery sensor 52 transmits the determined state of the battery module 20 via the communication interface 53 to the higher-level vehicle control unit.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a battery unit 10 according to a second embodiment of an electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the battery unit 10 according to the second embodiment is largely similar to the battery unit 10 shown in FIG. 1 according to the first embodiment. In the following, only differences will be discussed.
  • the control element 30 is present outside the housing 24, in which the battery module 20 is arranged. An outstanding from the housing 24 additional contact 13 is not provided in the present case.
  • the second connection 32 of the control element 30 is electrically connected directly to the battery sensor 52.
  • the first terminal 31 of the control element 30 is electrically connected to the positive pole 12.
  • FIG Figure 3 shows a schematic representation of a battery unit 10 according to a third embodiment of an electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the battery unit 10 according to the third embodiment is substantially the same as in FIG Figure 1 shown battery unit 10 according to the first embodiment. In the following, only differences will be discussed.
  • control element 30 is integrated in the battery management system 40 for monitoring and regulating the battery module 20.
  • Control element 30 and the battery management system 40 thus form a unit, which in the present case is arranged within the housing 24, in which the battery module 20 is also arranged.
  • the electrical connection of the second terminal 32 of the control element 30 to the battery sensor 52 takes place in the present case, as well as in the battery unit 10 according to the first
  • the additional contact 13 may also be configured in the form of a concave socket.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the battery unit 10 according to the first embodiment, wherein the battery sensor 52 is not shown.
  • the battery unit 10 has the housing 24, from which the negative pole 11, the positive pole 12 and the additional contact 13 protrude.
  • the additional contact 13 may also be configured in the form of a concave socket.
  • the housing 24 is approximately prismatic, in particular cuboid, wherein the dimensions of the housing 24 correspond to the dimensions of a conventional lead-acid battery.
  • the additional contact 13 is electrically connected by means of a cable with an adapter 45.
  • the adapter 45 is connected by means of a cable to a first
  • the first connector 41 serves to connect to a corresponding mating connector of the vehicle control unit, not shown here.
  • the first connector 41 provides the
  • the adapter 45 is also electrically connected to a second connector 42 by means of a cable.
  • the second connector 42 serves to connect to the battery sensor 52, not shown here.
  • the second connector 42 provides the communication interface 53 and the electrical connection to the additional contact 13 ready.
  • FIG. 5 shows the battery sensor 52 of the battery unit 10 from FIG. 4.
  • the battery sensor 52 comprises a sensor housing 60, in which inter alia the means for measuring the second voltage and the means for measuring the current flowing through the negative pole 11 are arranged , In the sensor housing 60 are further means for communicating with the
  • Vehicle control unit via the communication interface 53 arranged.
  • the battery sensor 52 comprises a connection bolt 61, which for
  • the battery sensor 52 comprises a plug 62, which is used to connect the second
  • the battery sensor 52 includes a pole terminal 63, which serves to connect to the negative pole 11.
  • the pole terminal 63 can be mechanically fastened to the negative pole 11 by means of a screw 64.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a control element 30 with a DC-DC converter 35.
  • the DC-DC converter 35 has a plurality of switching units E1, E2, E3, E4.
  • the switching units El, E2, E3, E4 are each as a MOSFET, ie as
  • the switching units El, E2, E3, E4 each comprise a parallel connection of a controllable switch Sl, S2, S3, S4 and a diode Dl, D2, D3, D4.
  • Each of said diodes D1, D2, D3, D4 in this case represents an inverse diode or body diode of the respective switching unit El, E2, E3, E4. It is also conceivable that the diodes D1, D2, D3, D4 as of the switches Sl, S2, S3, S4 separate switching elements are formed.
  • the diodes D1, D2, D3, D4 of the DC-DC converter 35 are connected in series. To each of the diodes Dl, D2, D3, D4, in each case a switch S1, S2, S3, S4 is connected in parallel. The diodes D1, D2, D3, D4 are electrically arranged such that a current flow from the first terminal 31 of the
  • Control element 30 to the second terminal 32 of the control 30 in the forward direction of the diodes Dl, D2, D3, D4 is possible.
  • a current for example a supply current for supplying the battery sensor 52, flows, a voltage drop is generated.
  • the second voltage applied to the second terminal 32 can be generated approximately as desired.
  • the second voltage is smaller than the voltage applied to the first terminal 31 first voltage and can be varied in discrete steps.
  • the DC-DC converter 35 also has a control unit 37.
  • the control unit 37 is used to control the switches Sl, S2, S3, S4.
  • Control unit 37 may be formed, for example in the form of a microcontroller.
  • the control unit 37 has a plurality of bistable flip-flops 70 for driving the switches S1, S2, S3, S4.
  • Such a bistable flip-flop 70 is also referred to as a flip-flop and represents a 1-bit memory cell.
  • DC voltage converter 35 are permanently driven.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a bistable flip-flop 70.
  • the bistable flip - flop 70 comprises a control output 78 which is connected to a control input of one of the switches S1, S2, S3, S4 of the
  • the bistable flip-flop 70 is designed for example as CMOS RS flip-flops and therefore has a very low power consumption.
  • the bistable flip-flop 70 is also connected to the first terminal 31 of the bistable flip-flop 70
  • the bistable flip-flop 70 is also with a
  • Ground connection electrically connected.
  • the ground connection may be the negative terminal 21 of the battery module 20, the negative pole 11 of the battery unit 10 or the ground line 55.
  • the bistable flip-flop 70 also includes a reset input 71, a
  • the bistable flip-flop 70 comprises a first memory transistor TI, a second memory transistor T2, a third memory transistor T3, a fourth memory transistor T4, a first coupling resistor 75 and a second coupling resistor 76th
  • the bistable flip-flop 70 is set. At the control output 78 is then the nominal voltage of 12 volts. Thereupon, the switch S1, S2, S3, S4 of the DC-DC converter 35, which is electrically connected to the bistable flip-flop 70, is closed. If the said
  • the bistable flip-flop 70 remains set, and at the control output 78, the nominal voltage of 12 volts remains.
  • the switch S1, S2, S3, S4 electrically connected to the bistable flip-flop 70 remains closed.
  • the bistable flip-flop 70 is reset.
  • the control output 78 is then at a voltage of about 0 volts.
  • the switch S1, S2, S3, S4 of the DC-DC converter 35 which is connected to the bistable
  • Toggle 70 is electrically connected, open. If the said

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (10) zur Verwendung an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul (20) zur Erzeugung einer ersten Spannung, welche zwischen einem positiven Pol (12) und einem negativen Pol (11) anliegt, einen Batteriesensor (52), welcher mit dem negativen Pol (11) elektrisch verbunden ist, und ein Steuerelement (30), welches einen ersten Anschluss (31) aufweist, der mit dem positiven Pol (12) elektrisch verbunden ist, und welches einen Gleichspannungswandler (35) umfasst. Der Gleichspannungswandler(35)generiert in Abhängigkeit von mindestens einer Zustandsgröße des Batteriemoduls (20) eine zweite Spannung, welche zwischen einem zweiten Anschluss (32) des Steuerelements (30) und dem negativen Pol (11) anliegt, und der Batteriesensor (52) ist mit dem zweiten Anschluss (32) elektrisch verbunden, wobei der Batteriesensor (52) Mittel zur Messung der zweiten Spannung und Mittel zur Messung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol (11) fließt, aufweist,oder wobei der Batteriesensor (52) einen Stromsensor umfasst und mit einem Steuergerät verbunden ist, welches Mittel zur Messung der zweiten Spannung und/oder Mittel zur Ermittlung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol (11) fließt, aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit (10) an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, wobei in Abhängigkeit von der Zustandsgröße des Batteriemoduls (20) die zweite Spannung von dem Gleichspannungswandler (35) des Steuerelements (30) generiert wird.

Description

Batterieeinheit und Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul zur Erzeugung einer ersten Spannung, welche zwischen einem positiven Pol der Batterieeinheit und einem negativen Pol der Batterieeinheit anliegt, einen Batteriesensor, welcher mit dem negativen Pol elektrisch verbunden ist, und ein Steuerelement, welches einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem positiven Pol elektrisch verbunden ist, und welches einen Gleichspannungswandler umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
In konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden in der Regel Blei-Säure-Batterien als Energiespeicher in einem 12V-Bordnetz eingesetzt. Eine solche Blei-Säure-Batterie, welche einen positiven Pol und einen negativen Pol aufweist, dient unter anderem als Starterbatterie zum Starten des
Verbrennungsmotors. Das Bordnetz und dessen Funktionalitäten sind auf die Eigenschaften der Blei-Säure-Batterie, beispielsweise Innenwiderstand, Lade- Entladekennlinie sowie Leerlaufspannung, abgestimmt. Es sind auch Bordnetze von Kraftfahrzeugen mit anderen Nennspannungen, beispielsweise 24V, bekannt.
Wichtig ist hierbei eine korrekte Erkennung des Zustands der Blei-Säure-Batterie in dem Kraftfahrzeug. Der Zustand, insbesondere der Ladezustand, der Blei- Säure-Batterie wird von dem Kraftfahrzeug als Basis für Funktionen eines Energiemanagements genutzt und kann daher das Fahrzeugverhalten sowie die Verfügbarkeit bei einer fehlerhaften Erkennung massiv negativ beeinflussen. Auch sicherheitsrelevante Funktionalitäten des Kraftfahrzeugs können davon betroffen sein. Typischerweise übernimmt ein Batteriesensor, welcher an den negativen Pol und an den positiven Pol der Blei-Säure Batterie angeschlossen ist, die Erkennung des Zustands der Blei-Säure-Batterie. Der Batteriesensor misst dabei unter anderem einen durch die Blei-Säure-Batterie fließenden Strom sowie eine an den Polen der Blei-Säure-Batterie anliegende Spannung. Aus den gemessenen Werten ermittelt der Batteriesensor insbesondere den Ladezustand und die Alterung der Blei-Säure Batterie.
Bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie kann es vorteilhaft sein, diese durch eine Lithium- Ionen- Batterie zu ersetzen. Eine Lithium-Ionen-Batterie weist jedoch aufgrund der unterschiedlichen Technologie andere Eigenschaften auf als eine Blei-Säure-Batterie. Hierzu zählen unter anderem ein niedrigerer
Innenwiderstand und insbesondere ein anderer Zusammenhang zwischen Ladezustand und Ausgangsspannung. Beispielsweise wäre ein von dem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Batteriesensor ermittelter Ladezustand somit fehlerhaft.
Eine Lithium-Ionen-Batterie müsste demnach bei einem Austausch nicht nur die konventionelle Blei-Säure-Batterie, sondern auch den Batteriesensor und dessen Funktionalität ersetzen. Aufgrund einer hohen Variantenanzahl der am Markt befindlichen Kraftfahrzeuge, sowie Blei-Säure-Batterie und Batteriesensoren scheint dies nicht praktikabel. Es ist wünschenswert, insbesondere bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie in einem Kraftfahrzeug diese durch eine Batterieeinheit zu ersetzen, welche ein Batteriemodul mit Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweist. Dabei sollte der bereits in dem Kraftfahrzeug vorhandene Batteriesensor auch weiterverwendet werden.
Aus der US 2015/0037616 Al ist eine gattungsgemäße Batterieeinheit mit einem Lithium-Ionen-Batteriemodul bekannt, welche ein Gehäuse aufweist, dessen Abmessungen denen eines Gehäuses einer konventionellen Blei-Säure-Batterie entsprechen. Die Batterieeinheit umfasst dabei auch einen oder mehrere Gleichspannungswandler, wodurch mehrere verschiedene Ausgangsspannungen an verschiedenen Polen der Batterieeinheit verfügbar sind. Aus der US 2015/0293180 Al ist eine Batterie bekannt, welche ein Lithium- lonen-Batteriemodul und ein Blei-Säure-Batteriemodul umfasst. Die Batterie umfasst auch einen Batteriesensor, welcher den Zustand des Lithium-Ionen- Batteriemoduls und des Blei-Säure-Batteriemoduls ermittelt.
In der DE 11 2011 104 650 T5 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Blei-Säure-Batterie offenbart. Die DE 102 48 679 Al offenbart ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Batterie und einem Gleichspannungswandler. Aus der DE 43 41 279 Al ist eine Schaltungsanordnung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine
Akkumulatorbatterie umfasst. Aus der JP 2010-036594 A geht hybrides
Automobil hervor, welches eine Batterie und einen Gleichspannungswandler aufweist. Die GB 2496398 A offenbart eine Spannungsversorgung für ein Fahrzeug mit einer Batterie und einem Wechselrichter.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines
Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit umfasst ein Batteriemodul zur Erzeugung einer ersten Spannung, welche zwischen einem positiven Pol der Batterieeinheit und einem negativen Pol der Batterieeinheit anliegt, einen Batteriesensor, welcher mit dem negativen Pol elektrisch verbunden ist, und ein Steuerelement, welches einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem positiven Pol elektrisch verbunden ist. Das Steuerelement umfasst einen
Gleichspannungswandler. Die Batterieeinheit dient insbesondere zum Ersatz einer ausgefallenen Blei-Säure Batterie als Starterbatterie für einen
Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs.
Bevorzugt weist das Batteriemodul der Batterieeinheit mehrere Batteriezellen auf, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Lithium-Ionen-Zellen weisen im Vergleich zu Zellen von Blei-Säure Batterien insbesondere eine verlängerte Lebensdauer, eine verbesserte Zyklenfestigkeit, eine höhere Energiedichte und auch eine höhere Leistungsdichte auf. Die Art der
Batteriezellen ist dabei nicht auf Lithium-Ionen-Zellen limitiert. Grundsätzlich sind alle Arten von Sekundärzellen geeignet, welche verbesserte Eigenschaften als Blei-Säure-Batteriezellen aufweisen. Beispielsweise eignen sich Lithium- Schwefel-Zellen, Lithium-Luft-Zellen, Superkondensatoren (Supercaps, SC), Lithium- Kondensatoren sowie Batteriezellen mit Festkörperelektrolyten.
Erfindungsgemäß generiert der Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von mindestens einer Zustandsgröße des Batteriemoduls eine zweite Spannung, welche zwischen einem zweiten Anschluss des Steuerelements und dem negativen Pol anliegt. Der Batteriesensor ist dabei mit dem zweiten Anschluss des Steuerelements elektrisch verbunden.
Der Batteriesensor weist beispielsweise Mittel zur Messung der zweiten
Spannung, insbesondere einen Spannungssensor, und Mittel zur Messung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol fließt, insbesondere einen
Stromsensor, auf. Der Batteriesensor weist beispielsweise ein Sensorgehäuse auf, in welchem die Mittel zur Messung der zweiten Spannung und die Mittel zur Messung des Stroms, der durch den negativen Pol fließt, angeordnet sind. Der Batteriesensor wird beispielsweise mittels einer Polklemme an den negativen Pol angeschlossen und mittels einer Verschraubung mechanisch an dem negativen Pol befestigt.
Der Batteriesensor kann auch einen Stromsensor, insbesondere einen Shunt- Sensor, umfassen. Dabei kann der Shunt-Sensor als ein Bauteil mit einem definierten ohmschen Widerstand ausgeführt sein. Der Batteriesensor ist dabei mit einem Steuergerät verbunden, welches Mittel zur Messung der zweiten Spannung und/oder Mittel zur Ermittlung oder Messung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol fließt, aufweist. Das Steuergerät umfasst insbesondere einen Spannungsmesser zum Messen eines Spannungsabfalls an dem ohmschen Widerstand des Shunt-Sensors. Dieser Spannungsabfall ist proportional zu dem fließenden Strom. Das Steuergerät ist dabei separat von dem Batteriesensor angeordnet. Insbesondere sind das Steuergerät und der Batteriesensor nicht in dem gleichen Sensorgehäuse angeordnet.
Der Batteriesensor ist also elektrisch nicht direkt mit dem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden, sondern der Batteriesensor ist elektrisch über das Steuerelement und somit indirekt mit dem positiven Pol der Batterieeinheit verbunden. Insbesondere liegt an dem Batteriesensor nicht die erste Spannung an, welche von dem Bateriemodul erzeugt wird, sondern die zweite Spannung, welche von dem Gleichspannungswandler des Steuerelements generiert wird.
Der Gleichspannungswandler generiert insbesondere keine konstante zweite Spannung zur Versorgung eines Verbrauchers. Die zweite Spannung, die an dem Bateriesensor anliegt, ist von mindestens einer Zustandsgröße des
Bateriemoduls abhängig und dient somit dem Bateriesensor als Maß für die entsprechende Zustandsgröße. Der Gleichspannungswandler kann unter anderem als elektronisch regelbarer DC/DC-Wandler oder als ohmscher
Spannungsteiler ausgestaltet sein.
Das Steuerelement dient auch als Quelle zur Versorgung des Bateriesensors mit elektrischer Energie. Der Bateriesensor benötigt dabei nur eine verhältnismäßig geringe elektrische Leistung. Das Steuerelement ist als annähernd leistungslose Quelle ausgeführt und liefert eine verhältnismäßig geringe Leistung an den Bateriesensor in einem Bereich von beispielsweise 0 mW bis 1.000 mW, vorzugsweise 200 mW.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zustandsgröße, in Abhängigkeit von welcher der Gleichspannungswandler des Steuerelements die zweite Spannung generiert, ein Ladezustand (state of Charge, SOC) des
Bateriemoduls. Aber auch ein Gesundheitszustand (state of health, SOH) des Bateriemoduls, eine Ladekapazität des Bateriemoduls sowie ein
Innenwiderstand des Bateriemoduls können Zustandsgrößen im Sinne der Erfindung sein, in Abhängigkeit von welchen der Gleichspannungswandler des Steuerelements die zweite Spannung generiert.
Die erste Spannung an dem positiven Pol der Baterieeinheit ist insbesondere von dem Ladezustand des Bateriemoduls abhängig und ist somit beispielsweise ein Maß für den Ladezustand des Bateriemoduls. Die zweite Spannung, die der Gleichspannungswandler generiert, ist also beispielsweise von der ersten Spannung, die von dem Bateriemodul erzeugt wird, abhängig. Die Abhängigkeit der zweiten Spannung von dem Ladezustand des Bateriemoduls sowie von der ersten Spannung ist in der Regel nicht linear. Bei gleichem Ladezustand einer konventionellen Blei-Säure-Batterie und eines Batteriemoduls mit Lithium-Ionen-Zellen weicht die erste Spannung der Blei- Säure-Batterie von der ersten Spannung des Batteriemoduls mit Lithium-Ionen- Zellen ab.
Vorzugsweise generiert der Gleichspannungswandler die zweite Spannung dabei derart, dass die zweite Spannung bei einem gegebenen Ladezustand des Batteriemoduls einer Spannung zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol einer Blei-Säure-Batterie bei dem gleichen Ladezustand entspricht. Die zweite Spannung entspricht somit der Spannung an dem positiven Pol der Blei-Säure-Batterie, welche die Blei-Säure-Batterie bei dem gleichen
Ladezustand hätte.
Die Abhängigkeit der zweiten Spannung von der Zustandsgröße des
Batteriemoduls in Abhängigkeit von welcher der Gleichspannungswandler des Steuerelements die zweite Spannung generiert, ist in der Regel nicht linear.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Zuordnung der Zustandsgröße, in Abhängigkeit von welcher der Gleichspannungswandler des Steuerelements die zweite Spannung generiert, zu der zweiten Spannung in dem Steuerelement fest vorgegeben. Dazu ist in dem Steuerelement beispielsweise eine entsprechende Zuordnungstabelle abgelegt, welche auch als Look-Up-Table bezeichnet wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Steuerelement eine Recheneinheit auf, welche eine Zuordnung der
Zustandsgröße, in Abhängigkeit von welcher der Gleichspannungswandler des Steuerelements die zweite Spannung generiert, zu der zweiten Spannung berechnet. In diesem Fall umfasst die Recheneinheit des Steuerelements beispielsweise einen programmierbaren Prozessor oder Mikrocontroller, welcher die zu generierende zweite Spannung nach einem vorgebbaren Algorithmus berechnet.
Das Steuerelement weist beispielsweise eine diskrete Schaltung zur
Ansteuerung des Gleichspannungswandlers auf. Besagte Schaltung kann sowohl als analoge Schaltung als auch als digitale Schaltung ausgeführt sein. Das Steuerelement kann bei der Zuordnung der Zustandsgröße zu der zweiten Spannung auch weitere Größen berücksichtigen, beispielsweise eine
Temperatur, die von einem entsprechenden Aufnehmer gemessen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der
Batteriesensor mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Fahrzeugsteuergerät. Die Kommunikationsschnittstelle dient insbesondere zur Übertragung von gemessenen Werten zu dem
Fahrzeugsteuergerät. Die besagte Kommunikationsschnittstelle kann
beispielsweise als digitale Busschnittstelle ausgeführt sein oder auch als analoge Schnittstelle.
Alternativ, wenn der Batteriesensor den Stromsensor, insbesondere den Shunt- Sensor, umfasst und mit einem separaten Steuergerät verbunden ist, kann auch das separate Steuergerät eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Fahrzeugsteuergerät aufweisen.
Die Batterieeinheit hat selbst keine Möglichkeit, mit dem Fahrzeug, insbesondere mit dem Fahrzeugsteuergerät, zu kommunizieren. Deshalb erfolgt die
Kommunikation indirekt über den Batteriesensor.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Batteriesensor über einen Zusatzkontakt elektrisch mit dem zweiten Anschluss des
Steuerelements verbunden. Der Zusatzkontakt ist also elektrisch mit dem Batteriesensor und mit dem zweiten Anschluss des Steuerelements verbunden. Beispielsweise ist das Steuerelement in einem Gehäuse angeordnet, in welchem auch das Batteriemodul angeordnet ist. Somit benötigt das Steuerelement keinen zusätzlichen Bauraum und ist vor mechanischen Einflüssen geschützt. Der Zusatzkontakt ragt beispielsweise aus dem Gehäuse heraus. Der Zusatzkontakt kann auch in Form einer konkaven Buchse ausgestaltet sein.
Wie bereits erwähnt, ist das Steuerelement als annähernd leistungslose Quelle ausgeführt und liefert nur eine verhältnismäßig geringe Leistung an den
Batteriesensor. Der Zusatzkontakt kann daher als verhältnismäßig dünner Pin- Stecker ausgebildet sein und einen Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm aufweisen. Auch ein elektrischer Leiter, welcher den Zusatzkontakt mit dem Batteriesensor verbindet, kann einen entsprechend kleinen Querschnitt aufweisen.
Das Steuerelement kann auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, in welchem das Batteriemodul angeordnet ist. Dadurch ist das Steuerelement von außen zugänglich und kann verhältnismäßig einfach ausgetauscht werden.
Ferner kann das Steuerelement in ein Batteriemanagementsystem zur
Überwachung und Regelung des Batteriemoduls integriert sein. Das
Steuerelement ist somit nicht als separates Bauteil ausgebildet, sondern ist Teil eines vorhandenen Batteriemanagementsystems.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liefert das Steuerelement einen Versorgungsstrom zur Versorgung des Batteriesensors mit elektrischer Energie. Der Batteriesensor benötigt also keine separaten
Versorgungsanschlüsse zur Energieversorgung. Da das Steuerelement als annähernd leistungslose Quelle ausgeführt ist und nur eine verhältnismäßig geringe Leistung an den Batteriesensor liefert, ist auch der Versorgungsstrom verhältnismäßig gering. Der Versorgungsstrom liegt in einem Bereich von beispielsweise 0 mA bis 100 mA, vorzugsweise 20 mA.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der besagte
Versorgungsstrom ein, insbesondere konstanter, Gleichstrom. Der
Gleichspannungswandler des Steuerelements ist dabei als regelbarer ohmscher Widerstand ausgebildet, den der Versorgungsstrom durchfließt. Beim
Durchfließen des regelbaren ohmschen Widerstandes erzeugt der
Versorgungsstrom einen Spannungsabfall. Durch Regeln des Wertes des ohmschen Widerstandes ist dieser Spannungsabfall gezielt und in
verhältnismäßig kurzer Zeit einstellbar. Da der Spannungsabfall verhältnismäßig schnell einstellbar ist, kann eine ursprüngliche Dynamik der Spannung, die an dem Bordnetz anliegt, beibehalten werden. Der Widerstand setzt lediglich den Wert der Spannung herab. Somit bleibt die ursprüngliche Dynamik der Spannung inhärent erhalten. Durch Regeln des Wertes des ohmschen Widerstandes kann somit die zweite Spannung annähernd beliebig generiert werden, sofern die zweite Spannung kleiner ist als die erste Spannung. Der regelbare ohmsche Widerstand kann auch als programmierbarer Widerstand oder als digitales Potentiometer bezeichnet werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichspannungswandler mehrere seriell verschaltete Dioden und mehrere Schalter, welche parallel zu jeweils einer der Dioden geschaltet sind, auf. Die Dioden sind dabei elektrisch derart angeordnet, dass ein Stromfluss von dem ersten Anschluss des Steuerelements zu dem zweiten Anschluss des
Steuerelements in Durchlassrichtung der Dioden möglich ist. An jeder der Dioden, durch die ein durch das Steuerelement fließender Strom, insbesondere der Versorgungsstrom zur Versorgung des Batteriesensors, fließt, wird ein Spannungsabfall erzeugt. Der besagte Strom fließt dabei durch einer der Dioden, wenn der parallel geschaltete Schalter geöffnet ist. Der besagte Strom fließt durch den parallel geschalteten Schalter, wenn der Schalter geschlossen ist. Durch Öffnen sowie Schließen der einzelnen Schalter kann somit der in dem Gleichspannungswandler erzeugte Spannungsabfall gezielt und in
verhältnismäßig kurzer Zeit eingestellt werden. Da der Spannungsabfall verhältnismäßig schnell einstellbar ist, kann eine ursprüngliche Dynamik der Spannung, die an dem Bordnetz anliegt, beibehalten werden. Die Dioden setzen lediglich den Wert der Spannung herab. Durch Öffnen sowie Schließen der einzelnen Schalter kann somit die zweite Spannung annähernd beliebig generiert werden, sofern die zweite Spannung kleiner ist als die erste Spannung.
Vorzugsweise weist der Gleichspannungswandler mehrere Schalteinheiten auf, welche als MOSFET, also als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor, ausgebildet sind. Die besagten Schalteinheiten umfassen jeweils eine
Parallelschaltung aus einem Schalter und einer der Dioden. Jede der besagten Dioden stellt dabei insbesondere eine Inversdiode oder Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit dar.
Bevorzugt weist der Gleichspannungswandler auch eine Steuereinheit zum Ansteuern der Schalter auf. Die Steuereinheit ist beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Steuereinheit mehrere bistabile Kippstufen zum Ansteuern der Schalter auf. Eine solche bistabile Kippstufe wird auch als Flip- Flop bezeichnet und stellt eine 1-bit- Speicherzelle dar. Jede der bistabilen Kippstufen umfasst einen Steuerausgang, welcher mit je einem Steuereingang eines Schalters, beziehungsweise einer Schalteinheit, des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Vorzugsweise sind die bistabilen Kippstufen als CMOS RS Flip-Flops ausgeführt. Eine solche bistabile Kippstufe erlaubt, einen Schalter, beziehungsweise eine Schalteinheit, des Gleichspannungswandlers dauerhaft, aber ohne dauerhaften
Leistungsbedarf, anzusteuern.
Der Gleichspannungswandler kann auch als fester ohmscher Widerstand ausgebildet sein. Der Gleichspannungswandler kann beispielsweise auch als elektronisch regelbarer DC/DC-Wandler ausgestaltet sein. In diesem Fall kann die zweite Spannung annähernd frei eingestellt werden, annähernd unabhängig von dem Wert der ersten Spannung. Insbesondere kann bei Verwendung eines DC/DC-Wandlers die zweite Spannung auch größer sein als die erste Spannung.
Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit ist dabei in das Kraftfahrzeug eingebaut, und der positive Pol der Batterieeinheit ist mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden. Erfindungsgemäß wird dabei in Abhängigkeit von der Zustandsgröße des Batteriemoduls die zweite Spannung von dem Gleichspannungswandler des Steuerelements generiert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die zweite Spannung derart generiert, dass in Abhängigkeit von einem Wert der zweiten Spannung der Batteriesensor über eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Fahrzeugsteuergerät ein Steuersignal abgibt. Hierfür können spezielle Spannungspegel definiert und speziellen Steuersignalen zugeordnet werden. Beispielsweise kann ein Spannungspegel von 1 V einem Steuersignal zugeordnet werden, das vermittelt, dass das Batteriemodul defekt oder nicht mehr am Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Beispielsweise kann bei einer Nennspannung von 12 V ein Spannungspegel von 20 V einem Steuersignal zugeordnet werden, das vermittelt, dass das Batteriemodul derzeit nicht geladen werden soll. Bei einer Nennspannung von 24 V kann
beispielsweise ein Spannungspegel von 40 V einem Steuersignal zugeordnet werden, das vermittelt, dass das Batteriemodul derzeit nicht geladen werden soll.
Die Batterieeinheit beziehungsweise das Steuerelement beziehungsweise ein in der Batterieeinheit vorhandenes Batteriemanagementsystem haben selbst keine Möglichkeit, mit dem Fahrzeug, insbesondere mit dem Fahrzeugsteuergerät, zu kommunizieren. Deshalb erfolgt die Kommunikation indirekt über den
Batteriesensor.
Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren finden vorteilhaft Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und insbesondere zum Ersatz einer konventionellen Blei-Säure-Batterie. Aber auch andere Verwendungen, beispielsweise an Bordnetzen anderer Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Hybrid-Fahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen sowie
Elektrofahrzeugen sind denkbar.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht einen Austausch einer konventionellen 12V Blei-Säure- Batterie durch eine 12V Lithium-Ionen-Batterie bei Sicherstellung aller
Funktionalitäten, insbesondere des Energiemanagements, in dem Kraftfahrzeug. Ein in dem Kraftfahrzeug vorhandener Batteriesensor, welcher auf die
Eigenschaften der ausgetauschten Blei-Säure-Batterie abgestimmt ist, kann beibehalten werden und ist somit Teil der neu eingesetzten Batterieeinheit. Das Steuerelement mit dem Gleichspannungswandler ermöglicht somit den Einsatz einer Lithium-Ionen-Batterie in Kraftfahrzeugen, die auf die Eigenschaften einer Blei-Säure-Batterie abgestimmt sind. Das Steuerelement kann insbesondere als annähernd leistungslose Quelle ausgeführt sein und entnimmt dem
Batteriemodul somit nur eine verhältnismäßig geringe Menge an Energie.
Durch die entsprechende Auslegung des Steuerelements kann die an dem positiven Pol anliegende erste Spannung auf eine zweite Spannung an dem Bateriesensor abgebildet werden, welche der Spannung an den Polklemmen der Blei-Säure Baterie bei gleichen Bedingungen, insbesondere bei gleichem Ladezustand, entspricht. Hiermit ist sichergestellt, dass die
Bateriezustandserkennung des Kraftfahrzeugs korrekt funktioniert und die Funktionalitäten im Kraftfahrzeug erhalten bleiben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Baterieeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Baterieeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Baterieeinheit gemäß einer driten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer Baterieeinheit gemäß der ersten Ausführungsform ohne Bateriesensor,
Figur 5 einen Bateriesensor,
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Steuerelements und
Figur 7 eine schematische Darstellung einer bistabilen Kippstufe.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieeinheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines hier nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Als Bordnetz 50 werden in diesem Zusammenhang die spannungsführenden Versorgungsleitungen in dem Kraftfahrzeug bezeichnet.
Das Bordnetz 50 weist vorliegend eine Nominalspannung von 12 Volt gegenüber einer Masseleitung 55 in dem Kraftfahrzeug auf. Die Batterieeinheit 10 weist einen Batteriesensor 52 auf.
Die Batterieeinheit 10 umfasst einen positiven Pol 12, welcher mit dem Bordnetz 50 verbunden ist. Die Batterieeinheit 10 umfasst auch einen negativen Pol 11, welcher mit dem Batteriesensor 52 verbunden ist. Der Batteriesensor 52 ist auch mit der Masseleitung 55 verbunden. Ferner ist der Batteriesensor 52 mittels einer Kommunikationsschnittstelle 53 mit einem übergeordneten Fahrzeugsteuergerät verbunden.
Die Batterieeinheit 10 umfasst ein Batteriemodul 20, welches mehrere
Batteriezellen aufweist, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Die Batteriezellen sind beispielsweise in Serie geschaltet und liefern eine
Nominalspannung von 12 Volt. Das Batteriemodul 20 weist ein negatives Terminal 21 und ein positives Terminal 22 auf. Zwischen den Terminals 21, 22 des Batteriemoduls 20 liegt die von den besagten Batteriezellen gelieferte Nominalspannung von 12 Volt an.
Das Batteriemodul 20 ist in einem Gehäuse 24 angeordnet. Der negative Pol 11 und der positive Pol 12 ragen aus dem Gehäuse 24 heraus. Das negative Terminal 21 ist elektrisch mit dem negativen Pol 11 verbunden und das positive Terminal 22 ist elektrisch mit dem positiven Pol 12 verbunden. Somit liegt zwischen den Polen 11, 12 ebenfalls die von den Batteriezellen des
Batteriemoduls 20 gelieferte Nominalspannung von 12 Volt an. Die Baterieeinheit 10 umfasst auch ein Bateriemanagementsystem 40 zur Überwachung und Regelung des Bateriemoduls 20. Das
Bateriemanagementsystem 40 befindet sich vorliegend ebenfalls innerhalb des Gehäuses 24.
Die Baterieeinheit 10 umfasst ferner ein Steuerelement 30. Das Steuerelement 30 weist einen ersten Anschluss 31 auf, welcher mit dem positiven Pol 12 elektrisch verbunden ist. Das Steuerelement 30 weist auch einen zweiten Anschluss 32 auf, welcher mit dem Bateriesensor 52 elektrisch verbunden ist. Das Steuerelement 30 befindet sich vorliegend ebenfalls in dem Gehäuse 24.
Der Bateriesensor 52 befindet sich vorliegend außerhalb des Gehäuses 24. Die elektrische Verbindung des zweiten Anschlusses 32 des Steuerelements 30 mit dem Bateriesensor 52 geschieht vorliegend über einen Zusatzkontakt 13, welcher aus dem Gehäuse 24 herausragt. Der Zusatzkontakt 13 kann auch in Form einer konkaven Buchse ausgestaltet sein.
An dem ersten Anschluss 31 des Steuerelements 30 liegt die von dem
Bateriemodul 20 gelieferte Nominalspannung von 12 Volt an, welche im
Folgenden als erste Spannung bezeichnet wird. An dem zweiten Anschluss 32 des Steuerelements 30 liegt eine zweite Spannung an, welche von dem
Steuerelement 30 generiert wird. Die zweite Spannung liegt auch an dem Zusatzkontakt 13 und an dem Bateriesensor 52 an.
Dazu umfasst das Steuerelement 30 einen Gleichspannungswandler 35, welcher in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße des Bateriemoduls 20 die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss 32 generiert. Beispielsweise handelt es sich bei der besagten Zustandsgröße des Bateriemoduls 20 um einen
Ladezustand (state of Charge, SOC) des Bateriemoduls 20. In einfacher Näherung kann davon ausgegangen werden, dass der Ladezustand des
Bateriemoduls 20 von der ersten Spannung an dem positiven Pol 12 abhängt. In dem Steuerelement 30 ist eine Zuordnung der ersten Spannung zu der zweiten Spannung fest vorgegeben, beispielsweise in Form einer Zuordnungstabelle.
Bei dem Gleichspannungswandler 35 kann es sich um einen regelbaren DC/DC- Wandler handeln. Der Gleichspannungswandler 35 kann auch als ohmscher Spannungsteiler ausgestaltet sein. Ferner kann der Gleichspannungswandler 35 als ein fester oder als ein regelbarer ohmscher Widerstand ausgestaltet sein. Auch kann der Gleichspannungswandler 35 mehrere seriell verschaltete Dioden Dl, D2, D3, D4 aufweisen, wie beispielhaft in Figur 6 dargestellt ist.
Der Batteriesensor 52 misst unter anderem die zweite Spannung, welche in der Regel von der ersten Spannung abweicht. Auch misst der Batteriesensor 52 einen von der Masseleitung 55 zu dem negativen Pol 11 fließenden Strom, welcher einem Strom durch das Batteriemodul 20 und durch die Batterieeinheit 10 entspricht.
Aus der gemessenen zweiten Spannung und aus dem gemessenen Strom durch das Batteriemodul 20 ermittelt der Batteriesensor 52 einen Zustand des
Batteriemoduls 20. Der Zustand des Batteriemoduls 20 umfasst insbesondere einen Ladezustand des Batteriemoduls 20. Der Batteriesensor 52 überträgt den ermittelten Zustand des Batteriemoduls 20 über die Kommunikationsschnittstelle 53 zu dem übergeordneten Fahrzeugsteuergerät.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieeinheit 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der zweiten Ausführungsform gleicht weitgehend der in Figur 1 gezeigten Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wird nur auf Unterschiede eingegangen.
Das Steuerelement 30 befindet sich vorliegend außerhalb des Gehäuses 24, in welchem das Batteriemodul 20 angeordnet ist. Ein aus dem Gehäuse 24 herausragender Zusatzkontakt 13 ist vorliegend nicht vorgesehen. Der zweite Anschluss 32 des Steuerelements 30 ist vorliegend elektrisch unmittelbar mit dem Batteriesensor 52 verbunden. Der erste Anschluss 31 des Steuerelements 30 ist mit dem positiven Pol 12 elektrisch verbunden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieeinheit 10 gemäß einer dritten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform gleicht weitgehend der in Figur 1 gezeigten Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wird nur auf Unterschiede eingegangen.
Das Steuerelement 30 ist vorliegend in das Batteriemanagementsystem 40 zur Überwachung und Regelung des Batteriemoduls 20 integriert. Das
Steuerelement 30 und das Batteriemanagementsystem 40 bilden somit eine Einheit, welche vorliegend innerhalb des Gehäuses 24 angeordnet ist, in welchem auch das Batteriemodul 20 angeordnet ist. Die elektrische Verbindung des zweiten Anschlusses 32 des Steuerelements 30 mit dem Batteriesensor 52 geschieht vorliegend, wie auch bei Batterieeinheit 10 gemäß der ersten
Ausführungsform, über einen Zusatzkontakt 13, welcher aus dem Gehäuse 24 herausragt. Der Zusatzkontakt 13 kann auch in Form einer konkaven Buchse ausgestaltet sein.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei der Batteriesensor 52 nicht dargestellt ist. Die Batterieeinheit 10 weist das Gehäuse 24 auf, aus welchem der negative Pol 11, der positive Pol 12 und der Zusatzkontakt 13 herausragen. Der Zusatzkontakt 13 kann auch in Form einer konkaven Buchse ausgestaltet sein. Das Gehäuse 24 ist annähernd prismatisch, insbesondere quaderförmig ausgebildet, wobei die Abmessungen des Gehäuses 24 den Abmessungen einer konventionellen Blei- Säure- Batterie entsprechen.
Der Zusatzkontakt 13 ist mittels eines Kabels mit einem Adapter 45 elektrisch verbunden. Der Adapter 45 ist mittels eines Kabels mit einem ersten
Steckverbinder 41 elektrisch verbunden. Der erste Steckverbinder 41 dient zum Anschließen an einen entsprechenden Gegenstecker des hier nicht dargestellten Fahrzeugsteuergeräts. Der erste Steckverbinder 41 stellt die
Kommunikationsschnittstelle 53 bereit.
Der Adapter 45 ist mittels eines Kabels auch mit einem zweiten Steckverbinder 42 elektrisch verbunden. Der zweite Steckverbinder 42 dient zum Anschließen an den hier nicht dargestellten Batteriesensor 52. Der zweite Steckverbinder 42 stellt die Kommunikationsschnittstelle 53 und die elektrische Verbindung zu dem Zusatzkontakt 13 bereit. Figur 5 zeigt den Batteriesensor 52 der Batterieeinheit 10 aus Figur 4. Der Batteriesensor 52 umfasst ein Sensorgehäuse 60, in welchem unter anderem die Mittel zur Messung der zweiten Spannung und die Mittel zur Messung des Stroms, welcher durch den negativen Pol 11 fließt, angeordnet sind. In dem Sensorgehäuse 60 sind ferner Mittel zur Kommunikation mit dem
Fahrzeugsteuergerät über die Kommunikationsschnittstelle 53 angeordnet.
Der Batteriesensor 52 umfasst einen Anschlussbolzen 61, welcher zum
Anschließen der Masseleitung 55 des Fahrzeugs dient. Der Batteriesensor 52 umfasst einen Stecker 62, welcher zum Anschließen des zweiten
Steckverbinders 42 dient. Der Batteriesensor 52 umfasst eine Polklemme 63, welche zum Anschließen an den negativen Pol 11 dient. Die Polklemme 63 kann mittels einer Verschraubung 64 mechanisch an dem negativen Pol 11 befestigt werden.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerelements 30 mit einem Gleichspannungswandler 35. In der hier gezeigten Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler 35 mehrere Schalteinheiten El, E2, E3, E4 auf. Die Schalteinheiten El, E2, E3, E4 sind jeweils als MOSFET, also als
Metalloxidhalbleiter- Feldeffekttransistor, ausgebildet. Die Schalteinheiten El, E2, E3, E4 umfassen jeweils eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter Sl, S2, S3, S4 und einer Diode Dl, D2, D3, D4. Jede der besagten Dioden Dl, D2, D3, D4 stellt dabei eine Inversdiode oder Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit El, E2, E3, E4 dar. Es ist auch denkbar, dass die Dioden Dl, D2, D3, D4 als von den Schaltern Sl, S2, S3, S4 separate Schaltelemente ausgebildet sind.
Die Dioden Dl, D2, D3, D4 des Gleichspannungswandlers 35 sind seriell verschaltet. Zu jeder der Dioden Dl, D2, D3, D4 ist jeweils ein Schalter Sl, S2, S3, S4 parallel geschaltet. Die Dioden Dl, D2, D3, D4 sind elektrisch derart angeordnet, dass ein Stromfluss von dem ersten Anschluss 31 des
Steuerelements 30 zu dem zweiten Anschluss 32 des Steuerelements 30 in Durchlassrichtung der Dioden Dl, D2, D3, D4 möglich ist. An jeder der Dioden Dl, D2, D3, D4, durch die ein Strom, beispielsweise ein Versorgungsstrom zur Versorgung des Batteriesensors 52, fließt, wird ein Spannungsabfall erzeugt.
Durch Öffnen sowie Schließen der einzelnen Schalter Sl, S2, S3, S4 kann die an dem zweiten Anschluss 32 anliegende zweite Spannung annähernd beliebig generiert werden. Die zweite Spannung ist dabei kleiner als die an dem ersten Anschluss 31 anliegende erste Spannung und kann in diskreten Schritten variiert werden.
Wenn einer der Schalter Sl, S2, S3, S4 geöffnet ist, so fließt der besagte Strom durch die zu diesem Schalter Sl, S2, S3, S4 parallel geschaltete Diode Dl, D2, D3, D4 und erzeugt an der besagten Diode Dl, D2, D3, D4 einen
Spannungsabfall. Wenn einer der Schalter Sl, S2, S3, S4 geschlossen ist, so fließt der besagte Strom durch diesen Schalter Sl, S2, S3, S4 und erzeugt an der zu diesem Schalter Sl, S2, S3, S4 parallel geschalteten Diode Dl, D2, D3,
D4 keinen Spannungsabfall. Durch Öffnen sowie Schließen der einzelnen Schalter Sl, S2, S3, S4 kann somit der in dem Gleichspannungswandler 35 erzeugte Spannungsabfall gezielt eingestellt werden.
Der Gleichspannungswandler 35 weist auch eine Steuereinheit 37 auf. Die Steuereinheit 37 dient zum Ansteuern der Schalter Sl, S2, S3, S4. Die
Steuereinheit 37 kann beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers ausgebildet sein.
Vorliegend weist die Steuereinheit 37 mehrere bistabile Kippstufen 70 zum Ansteuern der Schalter Sl, S2, S3, S4 auf. Eine solche bistabile Kippstufe 70 wird auch als Flip- Flop bezeichnet und stellt eine 1-bit-Speicherzelle dar. Mittels der bistabilen Kippstufen 70 können die Schalter Sl, S2, S3, S4 des
Gleichspannungswandlers 35 dauerhaft angesteuert werden.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer bistabilen Kippstufe 70. Die bistabile Kippstufe 70 umfasst einen Steuerausgang 78, welcher mit einem Steuereingang von einem der Schalter Sl, S2, S3, S4 des
Gleichspannungswandlers 35 elektrisch verbunden ist. Die bistabile Kippstufe 70 ist beispielsweise als CMOS RS Flip-Flops ausgeführt und hat daher einen äußerst geringen Leistungsbedarf.
Die bistabile Kippstufe 70 ist auch mit dem ersten Anschluss 31 des
Steuerelements 30, und somit auch mit dem positiven Terminal 22 des
Batteriemoduls 20 sowie mit dem positiven Pol 12 der Batterieeinheit 10 elektrisch verbunden. Die bistabile Kippstufe 70 ist ebenfalls mit einem
Masseanschluss elektrisch verbunden. Bei dem Masseanschluss kann es sich, je nach Anordnung des Steuerelements 30, um das negative Terminal 21 des Batteriemoduls 20, den negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 oder um die Masseleitung 55 handeln.
Die bistabile Kippstufe 70 umfasst auch einen Reseteingang 71, einen
Seteingang 72, eine Reseteingangsdiode 73 und eine Seteingangsdiode 74. Ferner umfasst die bistabile Kippstufe 70 einen ersten Speichertransistor TI, einen zweiten Speichertransistor T2, einen dritten Speichertransistor T3, einen vierten Speichertransistor T4, einen ersten Koppelwiderstand 75 und einen zweiten Koppelwiderstand 76.
Wenn an dem Seteingang 72 kurzzeitig ein Spannungspuls von etwa 12 V anliegt, so wird die bistabile Kippstufe 70 gesetzt. An dem Steuerausgang 78 liegt dann die Nominalspannung von 12 Volt an. Daraufhin wird derjenige Schalter Sl, S2, S3, S4 des Gleichspannungswandlers 35, der mit der bistabilen Kippstufe 70 elektrisch verbunden ist, geschlossen. Wenn der besagte
Spannungspuls nicht mehr anliegt, so bleibt die bistabile Kippstufe 70 gesetzt, und an dem Steuerausgang 78 bleibt die Nominalspannung von 12 Volt. Somit bleibt der mit der bistabilen Kippstufe 70 elektrisch verbundene Schalter Sl, S2, S3, S4 geschlossen.
Wenn an dem Reseteingang 71 kurzzeitig ein Spannungspuls von etwa 12 V anliegt, so wird die bistabile Kippstufe 70 rückgesetzt. An dem Steuerausgang 78 liegt dann eine Spannung von etwa 0 Volt an. Daraufhin wird derjenige Schalter Sl, S2, S3, S4 des Gleichspannungswandlers 35, der mit der bistabilen
Kippstufe 70 elektrisch verbunden ist, geöffnet. Wenn der besagte
Spannungspuls nicht mehr anliegt, so bleibt die bistabile Kippstufe 70 rückgesetzt, und an dem Steuerausgang 78 bleibt die Spannung von etwa 0 Volt. Somit bleibt der mit der bistabilen Kippstufe 70 elektrisch verbundene Schalter Sl, S2, S3, S4 geöffnet. 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. Baterieeinheit (10) zur Verwendung an einem Bordnetz (50) eines
Kraftfahrzeugs, umfassend
ein Bateriemodul (20) zur Erzeugung einer ersten Spannung, welche zwischen einem positiven Pol (12) und einem negativen Pol (11) anliegt, einen Bateriesensor (52), welcher mit dem negativen Pol (11) elektrisch verbunden ist, und
ein Steuerelement (30), welches einen ersten Anschluss (31) aufweist, der mit dem positiven Pol (12) elektrisch verbunden ist, und welches einen Gleichspannungswandler (35) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gleichspannungswandler (35) in Abhängigkeit von mindestens einer Zustandsgröße des Bateriemoduls (20) eine zweite Spannung generiert, welche zwischen einem zweiten Anschluss (32) des Steuerelements (30) und dem negativen Pol (11) anliegt, und dass
der Bateriesensor (52) mit dem zweiten Anschluss (32) elektrisch verbunden ist,
wobei der Bateriesensor (52) Mitel zur Messung der zweiten Spannung und Mitel zur Messung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol (11) fließt, aufweist, oder
wobei der Bateriesensor (52) einen Stromsensor, insbesondere einen Shunt-Sensor, umfasst und mit einem Steuergerät verbunden ist, welches Mitel zur Messung der zweiten Spannung und/oder Mitel zur Ermitlung eines Stroms, welcher durch den negativen Pol (11) fließt, aufweist.
2. Baterieeinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße ein Ladezustand ist.
3. Baterieeinheit (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (35) die zweite Spannung derart generiert, dass die zweite Spannung bei einem gegebenen Ladezustand des Bateriemoduls (20) einer Spannung zwischen einem positivem Pol (12) und einem negativem Pol (11) einer Blei-Säure-Baterie bei dem gleichen Ladezustand entspricht.
4. Baterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Zuordnung der Zustandsgröße zu der zweiten Spannung in dem Steuerelement (30) fest vorgegeben ist.
5. Baterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuerelement (30) eine Recheneinheit aufweist, welche eine Zuordnung der Zustandsgröße zu der zweite Spannung berechnet.
6. Baterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bateriesensor (52) mindestens eine Kommunikationsschnitstelle (53) zur Kommunikation mit einem Fahrzeugsteuergerät umfasst.
7. Baterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bateriesensor (52) über einen Zusatzkontakt (13) elektrisch mit dem zweiten Anschluss (32) des Steuerelements (30) verbunden ist.
8. Baterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuerelement (30) einen Versorgungsstrom zur Versorgung des Bateriesensors (52) mit elektrischer Energie liefert.
9. Baterieeinheit (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsstrom ein Gleichstrom ist, und dass
der Gleichspannungswandler (35) als regelbarer ohmscher Widerstand ausgebildet ist, den der Versorgungsstrom durchfließt.
10. Baterieeinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Gleichspannungswandler (35) mehrere seriell verschaltete Dioden (Dl, D2, D3, D4) aufweist, und dass
der Gleichspannungswandler (35) mehrere Schalter (Sl, S2, S3, S4) aufweist, welche parallel zu jeweils einer der Dioden (Dl, D2, D3, D4) geschaltet sind.
11. Baterieeinheit (10) nach einem der Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Gleichspannungswandler (35) mehrere Schalteinheiten (El, E2, E3, E4) aufweist, welche als MOSFET ausgebildet sind, und
welche jeweils eine Parallelschaltung aus einem Schalter (Sl, S2, S3, S4) und
einer der Dioden (Dl, D2, D3, D4) umfassen.
12. Baterieeinheit (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Gleichspannungswandler (35) eine Steuereinheit (37) zum
Ansteuern der Schalter (Sl, S2, S3, S4) aufweist.
13. Baterieeinheit (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (37) mehrere bistabile Kippstufen (70) zum Ansteuern der Schalter (Sl, S2, S3, S4) aufweist.
14. Verfahren zum Betrieb einer Baterieeinheit (10) nach einem der
vorstehenden Ansprüche an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass
in Abhängigkeit von der Zustandsgröße des Bateriemoduls (20) die zweite Spannung von dem Gleichspannungswandler (35) des
Steuerelements (30) generiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannung derart generiert wird, dass
in Abhängigkeit von einem Wert der zweiten Spannung der
Batteriesensor (52) über eine Kommunikationsschnittstelle (53) zur Kommunikation mit einem Fahrzeugsteuergerät ein Steuersignal abgibt.
16. Verwendung einer Batterieeinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 15 an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines
Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
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