WO2015055367A1 - Verfahren zum betreiben eines kraftfahrzeug-bordnetzes, sowie kraftfahrzeug-bordnetz - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a motor vehicle electrical system, as well as a motor vehicle electrical system.
  • Lead-acid batteries are also used in particular in motor vehicles with stop-start function and in micro-hybrid motor vehicles.
  • a constant charging voltage is typically provided to charge the lead-acid battery at a high battery state of charge (SOC) or in a state of charge in the event of desired electrical energy recovery to keep partial battery charge.
  • SOC battery state of charge
  • EP 2 041 862 B1 are u.a. an electric power source and a method for controlling an electric power source, wherein a low-voltage battery in the form of a lithium-ion battery and a low-voltage battery in the form of a lead-acid battery are used.
  • a device for controlling a battery system wherein also a lead-secondary battery and a lithium-secondary battery are used with relative to the lead-secondary battery higher power and energy density.
  • Semiconductor switches in the form of MOSFETs are electrically connected to both the alternator and the lead-secondary battery and the lithium secondary battery and are controlled via a controller (ECU) such that during operation of the internal combustion engine, the charging of lithium Secondary battery is located near a charge target.
  • ECU controller
  • a variable setting unit variably sets this charge target value based on a state variable depending on a regenerative charge state and / or discharge state of the lithium secondary battery.
  • a motor vehicle power supply system with a main and an additional battery is known.
  • the additional battery can take over the supply of the electrical system, while the temporarily separated main battery on an actually incompatible for the electrical system voltage level of e.g. 18 volts can be charged.
  • a motor vehicle power supply system with a combined selectively connected in parallel lithium-ion and lead-acid battery is known whose characteristics are chosen so that the lithium-ion battery can be used as a backup battery in regenerative braking. It is an object of the present invention to provide a method for operating a motor vehicle electrical system and a motor vehicle electrical system, which both the best possible cold start behavior and an efficient electrical Enable energy recovery with stable vehicle electrical system during operation of the motor vehicle.
  • An inventive method for operating a motor vehicle electrical system in a motor vehicle wherein the motor vehicle has an internal combustion engine, a generator, a primary battery having a first open circuit voltage and a secondary battery having a second open circuit voltage, wherein the second open circuit voltage is greater than the first open circuit voltage, has the following steps:
  • the electrical power supply of the motor vehicle electrical system is at least predominantly via the secondary battery, being supplied during a restart of the internal combustion engine, the starter motor of the primary battery and the motor vehicle electrical system from the secondary battery.
  • the invention initially starts from the consideration that in a motor vehicle electrical system in which a primary lead-acid battery is combined with a secondary (in particular lithium-based) battery, both batteries are in a defined battery charge state (SOC) operating range. should be kept.
  • SOC battery charge state
  • the primary lead-acid battery is fully charged (thus has a high SOC value)
  • the secondary lithium-based battery with an SOC value in the range of 30% to 70% should be operated.
  • a charging strategy is desirable in which the lead-acid battery remains fully charged, while the lithium-based battery is only partially charged.
  • the present invention is based in particular on the concept of controlling the charging voltage or setpoint voltage of the generator within the limits determined by the no-load voltage characteristics of the primary lead-acid battery on the one hand and the secondary (in particular lithium -based) battery are given on the other hand.
  • the concept according to the invention makes it possible to provide maximum start-up capability of the motor vehicle by operation of the lead-acid battery at high battery state of charge (SOC) while a cyclic electrical discharge takes place on the side of the secondary (lithium-based) battery. Due to the control of the setpoint voltage of the generator, the electrical voltage of the motor vehicle electrical system remains at a stable and defined value. This is inventively achieved regardless of the actual current state of charge of the motor vehicle. By controlling the voltage of the secondary (lithium-based) battery, the battery state of charge (SOC) can be efficiently controlled.
  • SOC battery state of charge
  • the battery state of charge (SOC) of the secondary (lithium-based) battery is monitored, and the electrical voltage of that secondary battery is controlled by adjusting the setpoint voltage of the generator.
  • SOC battery state of charge
  • the generator supplies electrical power until the required voltage level is reached.
  • the electrical energy supply of the motor vehicle electrical system at least predominantly on the secondary battery, wherein during a restart of the engine, the starter motor of the primary battery and the (rest) motor vehicle electrical system of the secondary battery is powered.
  • the secondary battery in the presence of a predetermined condition, in particular a climatic condition, the secondary battery is temporarily disconnected from the motor vehicle electrical system. If e.g. During operation with relatively cold or relatively hot climatic conditions, there is a risk of damaging the secondary (lithium-based) battery, the secondary (lithium-based) battery can be decoupled from the motor vehicle electrical system, and it can be a conventional strategy with a constant Charging voltage can be used. Although there is no fuel-efficient charging, but an excessive or too low charging of the batteries can be avoided and the vehicle remains operational.
  • primary and secondary batteries are at least temporarily separated from one another in the resting state of the motor vehicle (so-called key-off state). This counteracts an undesirably high discharge of the secondary battery when the primary battery is low.
  • the automatic charge equalization between the two batteries is generally not critical since, despite the higher terminal voltage of the lithium-ion battery, a charge equilibrium is reached at a charge state of the lithium-ion battery. Setting the battery in a desired partial charge range.
  • the invention further relates to a motor vehicle electrical system, wherein the motor vehicle has an internal combustion engine, a generator, a primary battery with a first open circuit voltage and a secondary battery with a second open circuit voltage, wherein the motor vehicle electrical system is configured to a method with the above Perform characteristics.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement for explaining a first
  • Embodiment of a motor vehicle electrical system according to the invention shows a circuit arrangement for explaining another
  • FIG. 3 shows a diagram in which typical operating windows of a secondary lithium-based battery used according to the invention are shown; and
  • FIG. 4 shows a diagram in which exemplary voltage profiles of the batteries present in the arrangement according to the invention are plotted as a function of the battery state of charge (SOC) according to an embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 each show a circuit arrangement when implementing the invention in different application scenarios.
  • 1 shows a motor vehicle electrical system in a motor vehicle with automatic stop-start function.
  • 1 is equipped with a starter motor 12 and a generator 13, which are connected to the crankshaft of the internal combustion engine and in regenerative operation, both a supply battery in the form of a primary (lead-acid) battery 10 and loads or Consumer 14 feeds, equipped.
  • the starter motor 12 is used to start the engine and is powered in this phase of operation of the primary battery 10.
  • "10a” denotes a battery management system of the primary battery 10.
  • the motor vehicle electrical system further comprises a secondary (lithium-based) battery 1 1, which is associated with a switch 16, said switch 16 via a circuit controller 15 depending on the on or off state of the engine 12 is controlled ,
  • Both batteries 10, 1 1 are substantially galvanically coupled to each other, ie without the inclusion of an active electronic assembly such as a DC / DC converter.
  • switches of an electromechanical or semiconductor-based type are provided for selective separation between the two batteries 10 and 11.
  • a switching device 17 is provided for decoupling the starter motor circuit for the purpose of realizing a stop-start operation of the motor vehicle.
  • the secondary battery 1 1 is used in the motor vehicle electrical system of FIG. 1 also for energy recovery and stabilization during the stop-start operation.
  • Fig. 2 shows an analog circuit arrangement in a motor vehicle without automatic stop-start function, wherein to Fig. 1 analog or substantially functionally identical components are designated by reference numerals increased by "10".
  • FIG. 3 shows a diagram in which typical operating windows are shown for a secondary (lithium-based) battery 1 or 21 used according to the invention. While, as shown in FIG. 3, the operating conditions having a battery state of charge (SOC) of less than 10% or more than 80% are virtually unusable due to the excessive discharge capacity for recovering electric power in the automobile, this is for the energy recovery phase suitable operating windows typically range between a SOC of 30% and a SOC of 80%. Further, as shown in FIG. 3, above a battery state of charge (SOC) of 10%, the energy of the secondary lithium-based battery 11 or 21 is e.g. be used during an automatic shutdown of the internal combustion engine to supply the motor vehicle electrical system.
  • SOC battery state of charge
  • FIG. 4 shows a diagram in which exemplary voltage level profiles of the batteries present in a motor vehicle electrical system according to the invention are plotted as a function of the battery state of charge (SOC).
  • SOC battery state of charge
  • the charging voltage or the setpoint voltage of the generator 13 or 23 is now controlled according to the invention within the limits, which are determined by the open circuit voltages of the primary lead-acid battery 10 and 20 and the secondary lithium-based battery 1 1 and 21 on the other hand ,
  • an upper limit value of the electrical voltage is predetermined by the motor vehicle electrical system and the battery characteristics, which may be approximately 15 V by way of example.
  • This charging voltage or setpoint voltage of the generator 13 or 23 is set in a first operating phase, preferably during the recovery (recuperation) of electrical energy, in particular during a deceleration of the motor vehicle.
  • the recovered electrical energy is then discharged into the motor vehicle electrical system that the charging voltage is reduced in a second phase of operation to a value (eg 12.8 V), on the one hand less than the open circuit voltage (OCV) of the secondary lithium-based battery 1 1 or 21 is, but still above the open circuit voltage (OCV) of the primary lead-acid battery 10 and 20, respectively.
  • a value eg 12.8 V
  • the motor vehicle is preferably supplied predominantly via the secondary lithium-based battery 1 1 or 21, while the primary lead-acid battery 10 or 20 is in standby mode (the primary lead). Acid battery 10 or 20 is connected, but not discharged).
  • the starter motor is powered by the primary lead-acid battery 10 or 20, and the vehicle electrical system is powered by the secondary lithium-based battery 1 1 and 21, respectively.
  • the electrical voltage of Motor vehicle electrical system stable at the value of the discharge voltage of the secondary lithium-based battery 1 1 and 21st
  • the method according to the invention makes it possible to provide a maximum or optimal starting capability of the motor vehicle by operation of the lead-acid battery 10 or 20 at high battery state of charge (SOC), while on the side of the secondary lithium-based battery 11 or 21 a cyclical one electrical charge or discharge takes place.
  • SOC battery state of charge

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator (13, 23), eine primäre Batterie (10, 20) mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie (11, 21) mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist folgende Schritte auf: Einstellen einer Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer ersten Betriebsphase auf einen ersten Wert, welcher größer als die zweite Leerlaufspannung ist, und Reduzieren dieser Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer zweiten Betriebsphase auf einen zweiten Wert, welcher zwischen der ersten Leerlaufspannung und der zweiten Leerlaufspannung liegt.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie Kraftfahrzeug- Bord netz Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetz. Blei-Säure-Batterien werden insbesondere auch in Kraftfahrzeugen mit Stopp-Start- Funktion sowie in Mikro-Hybrid-Kraftfahrzeugen eingesetzt. In herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bordnetzen, welche mit einer Blei-Säure-Batterie ausgestattet sind, wird typischerweise eine konstante Ladespannung vorgegeben, um die Blei-Säure- Batterie bei hohem Batterieladezustand (SOC) oder - im Falle einer gewünschten elektrischen Energierückgewinnung - in einem Ladezustand mit partieller Batterieaufladung zu halten.
Aus EP 2 041 862 B1 sind u.a. eine elektrische Energiequelle sowie ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Energiequelle bekannt, wobei eine Niedrigspannungsbatterie in Form einer Lithium-Ionen-Batterie und eine Niedrigspannungsbatterie in Form einer Blei-Säure-Batterie verwendet werden.
Aus DE 10 201 1 054 582 A1 ist u.a. eine Vorrichtung zum Steuern eines Batteriesystems bekannt, wobei ebenfalls eine Blei-Sekundär-Batterie und eine Lithium-Sekundär-Batterie mit relativ zur Blei-Sekundär-Batterie höherer Leistungsund Energiedichte verwendet werden. Halbleiterschalter in Form von MOSFETs sind sowohl mit der Lichtmaschine als auch mit der Blei-Sekundär-Batterie und der Lithium-Sekundär-Batterie elektrisch leitend verbunden und werden über eine Steuerung (ECU) derart angesteuert, dass sich im Betrieb des Verbrennungsmotors die Aufladung der Lithium-Sekundär-Batterie nahe einem Aufladungssollwert befindet. Eine variable Einstelleinheit stellt diesen Aufladungssollwert basierend auf einer Zustandsvariablen abhängig von einem regenerativen Ladezustand und/oder Entladezustand der Lithium-Sekundär-Batterie variabel ein. Aus der JP 2009 126 395 A ist ein Kraftfahrzeugstromversorgungssystem mit kombinierter Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterie bekannt, die durch einen DC/DC-Wandler zur Kontrolle der Lade- und Entladevorgänge verbunden sind, was mit tendenziell hohen Kosten für den DC/DC-Wandler verbunden ist.
Aus der DE 10 201 1 000 665 A ist ein Kraftfahrzeugstromversorgungssystem mit einer Haupt- und einer Zusatzbatterie bekannt. Die Zusatzbatterie kann die Versorgung des Bordnetzes übernehmen, während die temporär abgetrennte Hauptbatterie auf einem für das Bordnetz eigentlich inkompatiblen Spannungsniveau von z.B. 18 Volt geladen werden kann.
Aus der DE 10 2010 062 1 16 A1 ist es bekannt, ein Kraftfahrzeugstromversorgungssystem mit einer Blei-Säure-Batterie und einer spannungsneutral parallel geschalteten Lithium-Ionen-Batterie auszustatten, deren ladezustandsabhängige Klemmenspannungs- und Innenwiderstandscharakteristiken jeweils so gewählt sind, dass die Blei-Säurebatterie bevorzugt vollgeladen und die Lithium-Ionen-Batterie in einem Teilladungszustand gehalten wird. Aus der US 2007 0029 124 A1 ist eine Kraftfahrzeugstromversorgungssystem mit einer Blei-Säure-Batterie und einer parallel geschalteten Lithium-Ionen-Batterie bekannt, wobei die Blei-Säure-Batterie insbesondere einen Überspannungsschutz für die andere Batterie bildet. Aus der EP 2 272 722 A2 ist ein Kraftfahrzeugstromversorgungssystem mit kombinierter selektiv parallel geschalteter Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterie bekannt, deren Charakteristika so gewählt werden, dass die Lithium-Ionen-Batterie als Pufferbatterie beim regenerativen Bremsen eingesetzt werden kann. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bereitzustellen, welche sowohl ein möglichst gutes Kaltstartverhalten als auch eine effiziente elektrische Energierückgewinnung bei gleichzeitig stabilem Bordnetz im Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 10 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator, eine primäre Batterie mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist, weist folgende Schritte auf:
Einstellen einer Sollwertspannung des Generators in einer ersten Betriebsphase auf einen ersten Wert, welcher größer als die zweite
Leerlaufspannung ist; und
Reduzieren dieser Sollwertspannung des Generators in einer zweiten
Betriebsphase auf einen zweiten Wert, welcher zwischen der ersten
Leerlaufspannung und der zweiten Leerlaufspannung liegt,
wobei während einer Betriebsphase mit automatischer Abschaltung des Verbrennungsmotors die elektrische Energieversorgung des Kraftfahrzeug- Bordnetzes zumindest überwiegend über die sekundäre Batterie erfolgt, wobei während eines Neustarts des Verbrennungsmotors der Startermotor von der primären Batterie und das Kraftfahrzeug-Bordnetz von der sekundären Batterie versorgt wird.
Dabei geht die Erfindung zunächst von der Überlegung aus, dass in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, in welchem eine primäre Blei-Säure-Batterie mit einer sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie kombiniert ist, beide Batterien in einem Betriebsbereich mit definiertem Batterieladezustand (SOC) gehalten werden sollten. Hierbei ist vorzugsweise die primäre Blei-Säure-Batterie voll aufgeladen (besitzt also einen hohen SOC-Wert), wohingegen die sekundäre Lithium-basierende Batterie mit einem SOC-Wert im Bereich von 30% bis 70% betrieben werden sollte. Somit ist eine Ladestrategie anzustreben, bei der die Blei- Säure-Batterie voll aufgeladen bleibt, während die Lithium-basierende Batterie nur teilweise aufgeladen ist. Hierdurch wird zum einen infolge der voll aufgeladenen Blei-Säure-Batterie ein gutes Kaltstartverhalten des Kraftfahrzeuges gewährleistet, wobei zum anderen infolge der zum Teil entladenen Lithium-basierenden Batterie auch die Möglichkeit zur elektrischen Energierückgewinnung im Kraftfahrzeug geschaffen bzw. optimiert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun ausgehend von dieser Überlegung insbesondere das Konzept zugrunde, durch eine geeignete Ladestrategie die Ladespannung bzw. die Sollwertspannung des Generators innerhalb der Grenzen zu steuern, welche durch die Leerlaufspannungscharakteristika der primären Blei- Säure-Batterie einerseits und der sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie anderseits vorgegeben sind.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht insbesondere die Bereitstellung eines maximalen bzw. optimalen Startvermögens des Kraftfahrzeuges durch Betrieb der Blei-Säure-Batterie bei hohem Batterieladezustand (SOC), während eine zyklische elektrische Aufladung bzw. Entladung auf Seiten der sekundären (Lithium- basierenden) Batterie erfolgt. Aufgrund der Steuerung der Sollwertspannung des Generators bleibt die elektrische Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes auf einem stabilen und definierten Wert. Dies wird erfindungsgemäß unabhängig vom tatsächlichen aktuellen elektrischen Ladezustand des Kraftfahrzeuges erreicht. Durch Steuerung der elektrischen Spannung der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie kann der Batterieladezustand (SOC) effizient gesteuert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Ladestrategie wird der Batterieladezustand (SOC-Wert) der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie überwacht, und die elektrische Spannung dieser sekundären Batterie wird über die Einstellung der Sollwertspannung des Generators gesteuert. Hierdurch wird eine Steuerung sowohl des Batterieladezustandes (SOC) der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie als auch eine Steuerung der elektrischen Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes innerhalb kleiner Toleranzgrenzen und unabhängig vom tatsächlichen elektrischen Ladezustand des Kraftfahrzeuges ermöglicht. Der Generator liefert solange elektrischen Strom, bis der erforderliche Spannungspegel erreicht wird.
Ferner erfolgt im Rahmen der Erfindung während einer Betriebsphase mit automatischer Abschaltung des Verbrennungsmotors die elektrische Energieversorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes zumindest überwiegend über die sekundäre Batterie, wobei während eines Neustarts des Verbrennungsmotors der Startermotor von der primären Batterie und das (übrige) Kraftfahrzeug-Bordnetz von der sekundären Batterie versorgt wird. Durch eine derartige temporäre Trennung der Batterieschaltkreise werden unerwünschte Spannungseinbrüche im Bordnetz des Kraftfahrzeuges aufgrund des hohen Strombedarfs des Starters vermieden.
Gemäß einer Ausführungsform wird bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einer klimatischen Bedingung, die sekundäre Batterie vorübergehend vom Kraftfahrzeug-Bordnetz abgekoppelt. Wenn z.B. während eines Betriebs mit vergleichsweise kalten oder vergleichsweise heißen klimatischen Bedingungen das Risiko einer Beschädigung der sekundären (Lithium-basierenden) Batterie gegeben ist, kann die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie vom Kraftfahrzeug-Bordnetz abgekoppelt werden, und es kann eine herkömmliche Strategie mit konstanter Ladespannung verwendet werden. Hierbei erfolgt zwar keine kraftstoffsparende Aufladung, wobei jedoch ein übermäßiges oder zu geringes Aufladen der Batterien vermieden werden kann und das Kraftfahrzeug betriebsbereit bleibt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass primäre und sekundäre Batterien im Ruhezustand des Kraftfahrzeuges (sog. Key-Off-Zustand) wenigstens zeitweise voneinander getrennt werden. Damit wird einer unerwünscht starken Entladung der sekundären Batterie bei niedrig geladener primärer Batterie entgegengewirkt. Bei im Wesentlichen voll geladener primärer Batterie (der Blei- Säure-Batterie) ist der selbsttätig ablaufende Ladungsausgleich zwischen beiden Batterien in der Regel unkritisch, da sich trotz der höheren Klemmenspannung der Lithium-Ionen-Batterie ein Ladungsgleichgewicht bei einem Ladungszustand der Lithium-Ionen-Batterie in einem gewünschten Teilladungsbereich einstellt. Dies wird trotz der höheren Klemmenspannung der Lithium-Ionen-Batterie dadurch begünstigt, dass Blei-Säure-Batterien eine Spannung signifikant oberhalb der Klemmenspannung benötigen (typischerweise ca. 500 mV), um Ladeprozesse zu initiieren; dieser Effekt ist bei Lithium-Ionen-Batterien wesentlich geringer ausgeprägt. Somit stellt sich ein Gleichgewicht auch bereits bei unterschiedlichen Klemmenspannungen der beiden Batterien ein. Wenn allerdings die primäre Blei- Säure-Batterie einen niedrigen Ladezustand aufweist, ist eine Trennung der beiden Batterien sinnvoll, um eine Tiefentladung der Lithium-Ionen-Batterie zu vermeiden, denn die primäre Batterie weist unter Kosteneffizienzgesichtspunkten in der Regel eine wesentlich größere Kapazität als die Lithium-Ionen-Batterie auf, so dass die Lithium-Ionen-Batterie mit der Aufladung einer niedrig geladenen Blei-Säure-Batterie überfordert ist.
Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator, eine primäre Batterie mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei das Kraftfahrzeug-Bordnetz dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer ersten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes; Figur 2 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer weiteren
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes; Figur 3 ein Diagramm, in welchem typische Betriebsfenster einer erfindungsgemäß eingesetzten sekundären Lithium-basierenden Batterie dargestellt sind; und Figur 4 ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungsverläufe der in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) gemäß einer Ausführungsform aufgetragen sind. Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung bei Realisierung der Erfindung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien.
Dabei zeigt Fig. 1 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einem Kraftfahrzeug mit automatischer Stopp-Start-Funktion. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß Fig. 1 ist mit einem Startermotor 12 sowie einem Generator 13 ausgestattet, welcher mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sind und im generatorischen Betrieb sowohl eine Versorgungsbatterie in Form einer primären (Blei-Säure) Batterie 10 als auch Lasten bzw. Verbraucher 14 speist, ausgestattet. Der Startermotor 12 dient zum Starten des Verbrennungsmotors und wird in dieser Betriebsphase von der primären Batterie 10 gespeist. Mit "10a" ist ein Batteriemanagementsystem der primären Batterie 10 bezeichnet. Gemäß Fig. 1 weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz ferner eine sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 1 1 auf, welcher ein Schalter 16 zugeordnet ist, wobei dieser Schalter 16 über eine Schaltungssteuerung 15 abhängig vom ein- bzw. ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors 12 ansteuerbar ist.
Beide Batterien 10, 1 1 sind im Wesentlichen galvanisch miteinander gekoppelt, d.h. ohne Einbeziehung einer aktiven elektronischen Baugruppe wie eines DC/DC- Wandlers. Bevorzugt sind allenfalls Schalter elektromechanischer oder halbleitergestützter Art zur selektiven Trennung zwischen den beiden Batterien 10 und 1 1 vorgesehen. Des Weiteren ist gemäß Fig. 1 eine Schalteinrichtung 17 zur Abkopplung des Startermotorkreises zwecks Realisierung eines Stopp-Start-Betriebs des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Die sekundäre Batterie 1 1 dient in dem Kraftfahrzeug- Bordnetz von Fig. 1 auch zur Energierückgewinnung sowie zur Stabilisierung während des Stopp-Start-Betriebs.
Fig. 2 zeigt eine analoge Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug ohne automatische Stopp-Start-Funktion, wobei zu Fig. 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um "10" erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem für eine erfindungsgemäß eingesetzte sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 1 1 bzw. 21 typische Betriebsfenster dargestellt sind. Während gemäß Fig. 3 die Betriebsbereiche mit einem Batterieladezustand (SOC) von weniger als 10% oder mehr als 80% infolge des zu stark eingeschränkten Entlade- bzw. Ladevermögens für die Rückgewinnung elektrischer Energie im Kraftfahrzeug praktisch unbrauchbar sind, befindet sich das für die Energierückgewinnungsphase geeignete Betriebsfenster typischerweise im Bereich zwischen einem SOC von 30% und einem SOC von 80%. Des Weiteren kann gemäß Fig. 3 oberhalb eines Batterieladezustandes (SOC) von 10% die Energie der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 z.B. während einer automatischen Abschaltung des Verbrennungsmotors zur Versorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes verwendet werden.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungspegel-Verläufe der in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetz vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) aufgetragen sind. Dabei ist mit "A" die Leerlaufspannung (OCV = "open circuit voltage") der sekundären (Lithiumbasierenden) Batterie 1 1 bzw. 21 , mit "B" die Leerlaufspannung der primären (Blei- Säure-)Batterie 10 bzw. 20, mit "C" die Entladegrenze und mit "D" die Ladegrenze bezeichnet. Des Weiteren ist der Betriebsbereich der sekundären (Lithiumbasierten) Batterie 1 1 bzw. 21 mit "I" bezeichnet, und der Betriebsbereich der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20 ist mit "II" bezeichnet. Die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 1 1 bzw. 21 besitzt eine Entladespannung, deren Wert oberhalb der charakteristischen Leerlaufspannung der primären (Blei-Säure-) Batterie 10 bzw. 20 liegt.
Die Ladespannung bzw. die Sollwertspannung des Generators 13 bzw. 23 wird nun erfindungsgemäß innerhalb der Grenzen gesteuert, welche durch die Leerlaufspannungen der primären Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 und der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 anderseits vorgegeben sind.
Hierbei ist gemäß Fig. 4 ein oberer Grenzwert der elektrischen Spannung durch das Kraftfahrzeug-Bordnetz sowie die Batteriecharakteristika vorgegeben, welcher beispielhaft bei etwa 15V liegen kann. Diese Ladespannung bzw. Sollwertspannung des Generators 13 bzw. 23 wird in einer ersten Betriebsphase, vorzugsweise während der Rückgewinnung (Rekuperation) elektrischer Energie insbesondere während eines Abbremsens des Kraftfahrzeugs, eingestellt. Die rückgewonnene elektrische Energie wird dann dadurch in das Kraftfahrzeug-Bordnetz entladen, dass die Ladespannung in einer zweiten Betriebsphase auf einen Wert (z.B. 12.8 V) verringert wird, welcher einerseits geringer als die Leerlaufspannung (OCV) der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 ist, anderseits aber immer noch oberhalb der Leerlaufspannung (OCV) der primären Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 liegt. Dies führt zu einer Entladung der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 , während die primäre Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 nicht entladen wird. In Betriebsphasen mit automatischer Abschaltung des Verbrennungsmotors wird das Kraftfahrzeug vorzugsweise überwiegend über die sekundäre Lithium-basierende Batterie 1 1 bzw. 21 versorgt, während sich die primäre Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 im Standby-Modus befindet (wobei die primäre Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 zwar angeschlossen ist, jedoch nicht entladen wird).
Während eines Neustarts des Verbrennungsmotors wird der Startermotor von der primären Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 versorgt, und das Kraftfahrzeug-Bordnetz wird von der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 versorgt. Bei Abkopplung der Kurbelwelle im Kraftfahrzeug bleibt die elektrische Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes stabil bei dem Wert der Entladespannung der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 .
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die Bereitstellung eines maximalen bzw. optimalen Startvermögens des Kraftfahrzeuges durch Betrieb der Blei-Säure-Batterie 10 bzw. 20 bei hohem Batterieladezustand (SOC), während auf Seiten der sekundären Lithium-basierenden Batterie 1 1 bzw. 21 eine zyklische elektrische Aufladung bzw. Entladung erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem
Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Generator (13, 23), eine primäre Batterie (10, 20) mit einer ersten
Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie (1 1 , 21 ) mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung größer als die erste Leerlaufspannung ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Einstellen einer Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer ersten Betriebsphase auf einen ersten Wert, welcher größer als die zweite Leerlaufspannung ist; und
b) Reduzieren der Sollwertspannung des Generators (13, 23) in einer
zweiten Betriebsphase auf einen zweiten Wert, welcher zwischen der ersten Leerlaufspannung und der zweiten Leerlaufspannung liegt, wobei während einer Betriebsphase mit automatischer Abschaltung des Verbrennungsmotors die elektrische Energieversorgung des Kraftfahrzeug- Bordnetzes zumindest überwiegend über die sekundäre Batterie (1 1 , 21 ) erfolgt, wobei während eines Neustarts des Verbrennungsmotors der
Startermotor von der primären Batterie (10, 20) und das Kraftfahrzeug- Bordnetz von der sekundären Batterie (1 1 , 21 ) versorgt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der ersten Betriebsphase eine Rückgewinnung elektrischer Energie im Kraftfahrzeug stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Betriebsphase nach dieser Rückgewinnung elektrischer Energie beginnt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Betriebsphase die primäre Batterie (10, 20) voll aufgeladen ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Betriebsphase die sekundäre Batterie (1 1 , 21 ) wenigstens teilweise entladen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einer
klimatischen Bedingung, die sekundäre Batterie (1 1 , 21 ) vorübergehend vom Kraftfahrzeug-Bordnetz abgekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die primäre Batterie (10, 20) eine Blei-Säure-Batterie ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sekundäre Batterie (1 1 , 21 ) eine Lithium-basierende Batterie ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
primäre und sekundäre Batterien (10, 20; 1 1 , 21 ) im Ruhezustand des Kraftfahrzeuges wenigstens zeitweise voneinander getrennt werden.
10. Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor (12, 22), einen Generator (13, 23), eine primäre Batterie (10, 20) mit einer ersten Leerlaufspannung und eine sekundäre Batterie (1 1 , 21 ) mit einer zweiten Leerlaufspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kraftfahrzeug-Bordnetz dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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