WO2015110405A1 - Bordnetz und verfahren zum betrieb eines bordnetzes - Google Patents

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WO2015110405A1
WO2015110405A1 PCT/EP2015/050949 EP2015050949W WO2015110405A1 WO 2015110405 A1 WO2015110405 A1 WO 2015110405A1 EP 2015050949 W EP2015050949 W EP 2015050949W WO 2015110405 A1 WO2015110405 A1 WO 2015110405A1
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Holger Fink
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Definitions

  • the invention relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle, a method for operating the electrical system and a motor vehicle with such a vehicle electrical system.
  • an electrical system for supplying the electric starter or starter for the internal combustion engine and other electrical devices of the motor vehicle, which is operated by default with 12 V.
  • a voltage is made available to a starter via the electrical system of a starter battery, which starts the internal combustion engine when, for example, a switch is closed by a corresponding starter signal.
  • the internal combustion engine is started, this drives an electric generator, which then generates a voltage of about 12 V and provides it via the vehicle electrical system to the various electrical consumers in the motor vehicle.
  • the electric generator also charges the starter battery charged by the starting process. If the battery is charged via the electrical system, the actual voltage over the
  • DC-DC converter DC / DC converter
  • US 6,747,438 discloses a charging and discharging unit of a battery having a
  • the charging and discharging unit controls the voltage and the current respectively suitable for the battery cells used and for a power supply / charging unit.
  • the battery cells used comprise first and second battery cells, which are connected in parallel. The parallel connection of the first and the second battery cells is connected in parallel with another similar parallel connection. High capacity lithium batteries are used for the first battery cells, while lead cells are used for the second battery cells, which have a high capacity.
  • US 2012/235473 shows lithium-ion battery cells, which are connected to each other and to terminals in series, which are connected to an alternator of a vehicle electrical system
  • Motor vehicle are connected to maintain charge on the battery cells and to provide electrical consumers of the motor vehicle with energy.
  • the terminals are connected to an engine part of the electrical system to provide the motor vehicle when starting with relatively short and strong current flow.
  • the invention provides a vehicle electrical system for a motor vehicle, wherein the electrical system has a low-voltage subnet with at least one low-voltage consumer and a starter and a high-voltage subnet with at least one high-voltage consumer and a generator, the high-voltage subnet with the
  • Low voltage subnet is connected via a coupling unit which is adapted to take the high voltage subnet power and the low voltage subnet, the high voltage subnet having a battery which is adapted to generate the high voltage and deliver it to the high voltage subnet, and having at least two battery units with line sections , which are guided to the coupling unit.
  • the coupling unit is adapted to provide at least a first and a second configuration, wherein in the first configuration, the high voltage subnet is fed from a battery unit and the
  • Low voltage subnet is fed from at least one battery unit, and wherein in the second configuration, the high voltage subnet is fed from a plurality of battery units of the battery, preferably from all battery units of the battery and the
  • Low voltage subnet is powered from a battery unit.
  • the invention has the advantage that electrical through the low voltage subnet
  • the high-voltage sub-network is ready, i. the subnet with a voltage higher than the first voltage.
  • the supply of the low voltage subnetwork is the loading and unloading in the
  • High voltage subnet overlaid.
  • the low voltage subnetwork supply via the high voltage subnetwork takes place unidirectionally, d. H.
  • the coupling unit preferably provides the energy transfer only in one direction.
  • the electrical system can be used both in stationary applications, e.g. in wind turbines, as well as in motor vehicles, e.g. in hybrid and electric vehicles.
  • the electrical system can be used in motor vehicles having start-stop systems.
  • a battery management system is particularly suitable for use in motor vehicles having a 48-volt generator and a 14-volt starter, the 14-volt starter is preferably designed for start / stop systems.
  • the electrical system with 12 V or 14 V voltage is in the context of the present disclosure as
  • Low-voltage electrical system referred to.
  • the on-board network with the rated voltage of 48 V is also referred to as high-voltage on-board electrical system.
  • the presented system is particularly suitable for use in motor vehicles which have a system for assisting in boosting and recovering (recuperation) braking energy (boost recuperation system, BRS).
  • BRS boost recuperation system
  • Recuperation systems are used to generate electrical energy during braking, downhill or sail operation, in order to supply the electrical consumers.
  • the boost recuperation system increases the efficiency of the system so that fuel can be saved or emissions can be reduced.
  • High voltage subnetwork may assist the internal combustion engine, referred to as a boost, or may be used at low speeds for short distances for purely electric driving, e.g. at a parking and Ausparken.
  • the terms “battery” and “battery unit” are used in the present description, adapted to common usage, used for accumulator or Akkumulatorü.
  • the battery includes one or more battery packs that include a battery cell
  • Battery Module a module string or a battery pack can denote.
  • Battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules.
  • modules can form so-called battery direct converters (BDCs) and several battery direct converters form a battery direct inverter (BDI).
  • BDCs battery direct converters
  • BDI battery direct inverter
  • the selectively switchable battery units in particular the
  • Battery units can therefore be alternately claimed to provide the low voltage, z. B. to support a start-stop system, resulting in an increased life of the battery units.
  • the coupling unit has at least one reverse-blocking switch.
  • the reverse-blocking switch for connecting and disconnecting a selectively switchable battery unit for
  • At least one reverse-blocking switch is preferably actuated. Particularly preferably, two reverse blocking switches are actuated.
  • Low voltage sub-network is also preferably at least one reverse-blocking, more preferably, two reverse-blocking switch operated.
  • the coupling unit has at least one reverse-blocking switch.
  • the forward blocking switches are preferably suitable for switching the selectively connectable battery units in series with one another. It is preferably provided that when a line is disconnected between two battery units, at least one reverse-blocking switch is actuated. Likewise, it is preferably provided that during the connection of the line between the battery units, at least one reverse-blocking switch is actuated.
  • the coupling unit is adapted to switch at least two battery units with respect to the low voltage subnet together.
  • at least two, preferably all battery units are particularly preferably connected in parallel with respect to the low-voltage subnetwork. This makes it possible that in strongly different states of charge of the battery units, a supply of the low voltage subnet from that
  • Battery unit takes place, which has a higher state of charge or provides a higher voltage.
  • the low voltage subnet is supplied from each of the battery units.
  • the coupling unit is adapted to serially connect at least two battery units with respect to the high voltage subnetwork, i. to connect with each other in series.
  • at least two battery units preferably all battery units, are connected in series with respect to the high-voltage subnetwork.
  • the low-voltage subnetwork has at least one capacitor which is set up to stabilize the low voltage when the battery unit is switched on.
  • the coupling unit is adapted to provide at least one further operating state, wherein in the further operating state, the high voltage subnet and the low voltage subnet each of a plurality, in particular two, three or four
  • Battery units are powered.
  • the battery units used are preferably connected in series with respect to the high voltage subnet and with respect to the
  • Low voltage subnet connected in parallel.
  • the further operating state can be implemented by a plurality of configurations provided by the coupling device, as will be explained in more detail below.
  • the low-voltage subnetwork has at least one further energy store, for example a buffer store or a
  • High performance memory optimized for high power electrical power delivery are capacitor systems, for. B.
  • a further energy storage is used, which is designed to be optimized directly for the starting requirements to the entire system, even with a high number of cold starts or a very large number of start / stop operations a long life, for example in the range of 10 years or more to ensure.
  • the electrical system preferably has a control unit for controlling the coupling unit
  • the control unit can be, for example, a battery management system associated with the battery, which comprises, for example, further functional units which are set up, measuring data on temperatures, voltages provided, discharged currents and charge states of the battery or the battery
  • the control unit for controlling the coupling unit can have a computer program which can be stored on a machine-readable storage medium, for example on a permanent or rewritable storage medium, or in association with a computer device, for example on a portable storage, such as a CD-ROM, DVD, Blu -Ray disk, a USB stick or a memory card.
  • the computer program may be provided for download on a computing device, such as on a server or a cloud server, for example via a data network, such as the Internet, or a computer
  • Communication connection such as a telephone line or a wireless connection.
  • a motor vehicle with a
  • a first operating phase may be characterized in that the motor vehicle is parked or parked.
  • a second operating phase may be characterized in that the motor vehicle is started.
  • a third operating phase may be characterized in that the motor vehicle is operated in start-stop mode, and a fourth
  • the maximum achievable power is limited by uniformly aged cells by that cell with the lowest charge state.
  • the maximum removable energy is limited by evenly charged cells by the cell with the lowest state of charge.
  • the maximum allowable load performance is limited by the cell with the highest state of charge for evenly aged cells.
  • the maximum deliverable energy is limited by evenly aged cells by the cell with the highest state of charge. Since the battery system in a boost recuperation system should be able to store as much energy as possible during a braking operation, and at the same time should be able to support a boost process as well as possible, it can be used as a boost
  • the second configuration is set in the first operating phase.
  • the second operating phase may in particular be a starting state of a motor vehicle, for example also a cold start state of a motor vehicle, the latter being defined by the passage of a defined period of time, for example after the lapse of 10 min, 20 min, 1 h, 2 h, 12 h or 24 H. Since the starter is arranged in the low voltage subnetwork, the first configuration is preferably set in the second operating phase in order to provide the starter with the maximum possible power.
  • the third phase of operation with the start-stop mode includes a start mode and a stop mode.
  • the first configuration is preferably selected, and in the stop mode, the second configuration is preferably selected, so that in the start-stop mode, the first configuration and the second configuration are alternately set.
  • the second configuration is set in the fourth operating phase.
  • the system In addition to the requirements for the high-voltage subnetwork, the system also has requirements for starting operations in the low-voltage subnetwork. So that these
  • the one battery unit is preferably used to supply the low voltage subnet, which has the highest state of charge at a given time.
  • the supply of the low voltage subnet is therefore preferably from that battery unit, at a given time has the highest state of charge. Since the supply of the low voltage subnet to the charging and discharging in
  • a threshold value for the difference ASOCumschait of the charge states is introduced, e.g. a difference ASOCumschait with a defined value between 0.5% and 20%, preferably between 1% and 5%, more preferably about 2%, which must be exceeded so that the supply of
  • Low voltage subnet from a battery unit to that battery unit changes, which has a correspondingly higher state of charge than the currently used to supply the low voltage subnet battery unit.
  • the switching in the supply takes place on that battery unit, which currently has the highest state of charge.
  • the switchover takes place when the battery unit currently switched through to supply the low-voltage subnetwork has a charge state which is at least
  • ASOCumschait is lower than the state of charge of the battery unit with the highest
  • the invention provides a cost-effective vehicle electrical system and a method for operating the electrical system, in particular with a lithium-ion battery system, ready for motor vehicles having a high voltage subnet, a low voltage subnet and a boost recuperation system with unidirectional supply of the low voltage subnet.
  • This can be compared to known systems a potential-separating DC-DC converter (DC / DC converter) omitted, and the lead-acid battery.
  • the system is therefore characterized by a reduced volume and by a lower weight compared to currently under development Boost Rekuperations systems.
  • the boost recuperation system can also save significantly more energy with appropriate design compared to currently under development Boost Rekuperations systems and thus gain more electrical energy in the system during longer braking or downhill.
  • the inventive provision for the selection of the switching states of the coupling unit causes the battery in various phases of the vehicle electrical system necessary tasks in an optimized way.
  • Low voltage subnet nevertheless limited to tolerable values.
  • the battery provides sufficient electrical energy even with longer downtime.
  • the battery can supply high-voltage consumers even during stop phases during start-stop operation.
  • the battery provides the high-voltage sub-network substantially without interruption, the electrical energy.
  • optimization means that as much electrical energy can be recovered in a braking operation and that the battery can be charged with the highest possible performance.
  • the optimization means that the battery enables the starting processes by providing electrical energy with the required voltage and power, and that as much electrical energy as possible can be made available for the boost operation.
  • FIG. 1 shows a low-voltage on-board network according to the prior art
  • Figure 2 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 3 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 4 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 5 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • FIG. 6 shows a coupling unit in an exemplary configuration
  • FIG. 7 shows the coupling unit from FIG. 6 in a further exemplary configuration
  • FIG. 8 shows the coupling unit from FIG. 6 in a further exemplary configuration
  • FIG. 9 reverse and reverse blocking switches
  • FIG. 10 shows possible operating phases of a motor vehicle
  • FIG. 11 shows configurations in a first operating phase
  • FIG. 12 configurations in a second operating phase
  • Figure 14 configurations in a fourth phase of operation.
  • FIG. 1 shows a vehicle electrical system 1 according to the prior art.
  • Internal combustion engine is provided via the electrical system 1 from a starter battery 10, a voltage to a starter 1 1 available, which (not shown) starts the engine when, for example, by a corresponding starter signal, a switch 12 is closed. If the engine is started, this drives an electric generator 13, which then generates a voltage of about 12 V and on the
  • On-board network 1 provides the various electrical consumers 14 in the motor vehicle.
  • the electric generator 13 also charges the starter battery 10 charged by the starting process.
  • FIG. 2 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • the electrical system 1 may be an electrical system of a motor vehicle, transport vehicle or forklift.
  • the high-voltage sub-network 20 is, for example, a 48-V electrical system with an electric generator 23 which is operable by an internal combustion engine (not shown).
  • the generator 23 is formed in this embodiment, in response to a rotational movement of the motor of the motor vehicle to generate electrical energy and feed it into the high-voltage sub-network 20.
  • the high voltage sub-network 20 further comprises a battery 24, which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is adapted to output the necessary operating voltage to the high voltage sub-network 20.
  • high-voltage consumers 25 are shown as load resistors, which may be formed, for example, by at least one, preferably by a plurality of electrical consumers of the motor vehicle, which are operated with the high voltage.
  • the low-voltage sub-network 21 which is arranged on the output side of the DC / DC converter 22, there are a starter 26 and a switch 27 to start the engine, and an energy storage 28 which is set up, the low voltage in the amount of, for example 12V or 14V for the low voltage subnet 21.
  • low-voltage consumers 29 are arranged, with the Low voltage can be operated.
  • Low voltage subnet 21 is in driving, depending on the temperature and state of charge of the energy storage 28, approximately in the range between 10.8 V and 15 V.
  • the DC / DC converter 22 is connected on the input side to the high-voltage sub-network 20 and to the generator 23.
  • the DC / DC converter 22 is the output side with the
  • the DC / DC converter 22 is configured to receive a DC voltage received on the input side, for example a DC voltage with which the high-voltage sub-network 20 is operated, for example between 12 and 48 V, and to generate an output voltage which is different from the voltage received on the input side in particular to produce an output voltage which is smaller than the voltage received on the input side, for example 12 V or 14 V, and which corresponds to the low-voltage sub-network 21.
  • a DC voltage received on the input side for example a DC voltage with which the high-voltage sub-network 20 is operated, for example between 12 and 48 V
  • an output voltage which is different from the voltage received on the input side in particular to produce an output voltage which is smaller than the voltage received on the input side, for example 12 V or 14 V, and which corresponds to the low-voltage sub-network 21.
  • FIG. 3 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • the on-board electrical system 1 shown is designed substantially like the vehicle electrical system 1 illustrated in FIG. 2, with the starter 26 from FIG. 2 having the generator 23 from FIG. 2 as a starter generator 30 in the high-voltage subnet 20
  • a DC / DC converter 31 is used, which is designed bidirectional.
  • the subnets 20, 21 also batteries 24, energy storage 28 and consumer 25, 29 are arranged, as described with reference to Figure 2.
  • FIG. 3 differs in the integration of the starter 26. While in the system shown in FIG. 3
  • Low voltage sub-network 21 is arranged and thereby the DC / DC converter 22nd
  • Low voltage subnet 21 may be designed, a starter generator 30 is used in the high voltage sub-network 20 in the architecture shown in Figure 3.
  • the DC / DC converter 31 is bidirectional, so that the battery 24, in particular the Lithium-ion battery, if necessary, can be charged via the low voltage sub-network 21.
  • the starting aid of the motor vehicle then takes place via a low-voltage interface (not shown) and the DC / DC converter 31.
  • FIG. 4 shows a vehicle electrical system 1 according to the invention with a high-voltage sub-network 20 and a low-voltage sub-network 21, for example a vehicle electrical system 1 of a motor vehicle, transport vehicle or forklift according to a first embodiment of the invention.
  • the electrical system 1 is particularly suitable for use in motor vehicles with a 48 V generator, a 14 V starter and a boost recuperation system.
  • the high voltage sub-network 20 includes an electric generator 23 which is operable by an internal combustion engine (not shown).
  • the generator 23 is designed to generate electrical energy as a function of a rotational movement of the motor of the motor vehicle and to feed it into the high-voltage sub-network 20.
  • high-voltage consumers 25 are arranged, which may be formed by one, preferably by a plurality of electrical consumers of the motor vehicle, which are operated with the high voltage.
  • the high-voltage sub-network 20 also includes a battery 40, which may be formed, for example, as a lithium-ion battery and which is arranged, the
  • High voltage subnet 20 output the operating voltage of 48V.
  • the lithium-ion battery 40 has at a rated voltage of 48 V, preferably a minimum capacity of about 15 Ah in order to store the required electrical energy can.
  • the battery 40 has a plurality of battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n, wherein the
  • Battery units 41 each have a plurality of battery cells are assigned, which are usually connected in series and partly in addition to each other in parallel to achieve the required power and energy data with the battery 40.
  • the individual battery cells are, for example, lithium-ion batteries with a voltage range of 2.8 to 4.2 V.
  • the battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n are line sections 80-1 1, 80-12, 80-21, 80-22, ... 80-n1, 80-n2 associated, over which the Voltage of a coupling unit 33 is supplied.
  • the coupling unit 33 has the tasks, at least one of the battery units 41 -1, 41 - 2, ... 41 -n of the battery 40 to the low voltage subnet 21 for its operation or fürzucine support, and the battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n with respect to the high-voltage sub-network 20 to connect properly.
  • the coupling unit 33 thus couples the high voltage sub-network 20 with the
  • Low-voltage sub-network 21 and provides the output side, the low-voltage sub-network 21, the necessary operating voltage ready, for example, 12 V or 14 V.
  • the low-voltage sub-network 21 includes the low-voltage consumers 29, which are designed, for example, for operation at 12 V or 14 V voltage. According to one embodiment, it is provided that the battery 40 takes over the supply of the consumers 25, 29 when the motor vehicle is switched off. For example, it can be provided that in this case the requirements of the so-called airport tests are met, wherein after six weeks of service life, the motor vehicle is still bootable and the battery 40 during the life, inter alia, the quiescent currents of
  • Low-voltage consumer 29 in the low voltage subnet 21 provides so that, for example, an anti-theft alarm system is powered.
  • a starter 26 is also arranged, which is arranged to start the internal combustion engine (not shown) when the switch 27 is closed.
  • a buffer memory 28 is optionally arranged, which can deliver power for a short time.
  • the buffer memory 28 fulfills the further purpose that
  • a lithium-ion battery can be used as a buffer memory 28 .
  • FIG. 5 shows a vehicle electrical system 1 according to the invention with the high-voltage sub-network 20 and the low-voltage sub-network 21 according to a second embodiment.
  • the vehicle electrical system 1 is suitable for use in motor vehicles with a 48 V generator, a 14 V starter and a boost recuperation system, in particular for motor vehicles with large internal combustion engines, in which a significant starting performance during cold starts is required.
  • the vehicle electrical system 1 shown in FIG. 5 is essentially designed like the vehicle electrical system 1 illustrated in FIG. 4, with the difference that instead of the buffer memory 28, a high-performance accumulator 280 is used, which in the illustrated embodiment comprises an interconnection of several capacitors 281.
  • the capacitors 281 are, for example, double-layer capacitors, in particular supercapacitors.
  • the high-performance memory 280 in the low-voltage sub-network 21 is optimized for the provision of high-power electrical energy.
  • FIG. 6 shows the coupling unit 33, which is designed as a unidirectional, galvanically non-separating DC-DC converter (DC / DC converter).
  • the coupling unit 33 comprises reverse blocking switches RSS 44, 45, which have the property that in a state "on” they allow current to flow in only one direction and in a second state “off” can receive a reverse voltage of both polarities.
  • This is an essential difference to simple semiconductor switches, such as e.g. IGBT switches, as they can not pick up reverse voltage due to their intrinsic diode.
  • two different types of switches are shown in FIG. 6, namely RSSJ 45 and RSS_r 44, which do not differ in their production, but are merely installed with different polarity.
  • An example of the detailed structure of the reverse blocking switch RSS 44, 45 will be described with reference to Figure 9.
  • the line sections 80-1 1, 80-12, 80-n2 are the same
  • reverse blocking switch RSSJ 45 are the output side of the coupling unit 33 connected to a positive pole 52
  • the reverse blocking switch RSS_r 44 are the output side of the coupling unit 33 connected to a negative pole 51.
  • the coupling unit 33 includes reverse blocking switches VSS 90-1, 90-2, 90-n1, which may be, for example, standard semiconductor switches.
  • An example of the structure of the reverse blocking switches VSS 90-1, 90-2, 90-n1 will be described with reference to FIG.
  • the line sections 80-12, 80-n1 of the battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n are branched and parallel to the reverse-blocking switches RSS 44, 45 each a non-forward switch VSS 90-1, 90-2, ..., 90-n1 supplied.
  • the reverse inhibit switches VSS 90-1, 90-2, 90-n1 connect the Battery units 41 -1, 41 -2, ...
  • VSS 90-1, 90-2, ... 90-n1 are provided.
  • the voltage level of the high voltage subnet 20 based on the mass of
  • Low voltage sub-network 21 depends on which of the battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n is switched on or are. However, in none of the configurations, one of the potentials has an amount exceeding a voltage limit equal to the sum of the high voltage and the low voltage, i. in a 48 V network and a 14 V network in about 62 V. However, negative potentials compared to the mass of
  • FIG. 7 shows the supply of the low-voltage sub-network 21 by way of example from the battery unit 41 -2 via the switched-in reverse-blocking switches RSSJ 45-i, RSS_r 44-i. From the positive terminal 52, a current path 71 leads via the reverse blocking switch RSSJ 45-i via the second through-connected battery unit 41 -2 via the further reverse blocking switch RSS_r 44-i to the negative pole 51.
  • non-forward switch VSS 90-1, 90-2, 90-n1 it is possible to connect two or more battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n to supply the low voltage sub-network 21 in parallel. In this case, some or all of the reverse blocking will be
  • Switch VSS 90-1, 90-2, 90-n1 is in "off" state
  • Parallel connection of battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n are the reverse blocking switch VSS 90-1, 90-2, 90-n1 off and the generator 23 ideally feeds no energy into the high voltage sub-network 20 a.
  • the vehicle electrical system 1 or the control unit is set up so that the battery 40 is able to supply the generator 23 with energy only when the reverse-blocking switches VSS 90-1, 90-2, 90-n1 are switched on.
  • the reverse blocking switches VSS 90-1, 90-2, 90-n1 need not necessarily be turned on, since the intrinsic diodes 102 of the reverse blocking switch VSS 90-1, 90-2, 90-n1 carry the charging current can. Preference is given to
  • reverse blocking switch VSS 90-1, 90-2, 90-n1 always turned on when no parallel operation for the supply of the low voltage subnet 21 takes place in order to reduce the power loss within the reverse inhibit switch VSS 90-1, 90-2, 90-n1 ,
  • the operation of the generator 23 is independent of the operation of the coupling unit 33 and the supply of the low voltage subnet 21.
  • the here through-connected battery unit 41 -2 which supplies the low voltage subnet 21
  • the allowable limits of the battery cells e.g. the maximum allowable discharge current of the cells are not exceeded, these processes can be considered independently. So that the low voltage subnet 21 is supplied safely, is always at least one of
  • Coupling device 33 is switched on. Due to the multiple redundant supply of the low voltage subnetwork 21, a system can be constructed with the architecture presented, which has a very high availability of electrical energy in the
  • Low voltage subnet 21 has.
  • FIG. 8 shows a supply of the low-voltage sub-network 21, which takes place, for example, from the battery units 41 -1, 41 -2 via the switched-in reverse-blocking switches RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j.
  • a first current path 71 leads via a reverse blocking switch RSSJ 45-i via the second through-connected battery unit 41 -2 and via the further reverse blocking switch RSS_r 44-i to the negative pole 51.
  • From the positive pole 52 also leads a further current path 72 over the
  • FIG. 9 shows a possible structure of reverse blocking switches 44, 45 and reverse blocking switches 90.
  • the direction of passage of the reverse blocking switches 44, 45 and of the reverse blocking switch 90 is indicated by I.
  • a reverse blocking switch RSS_r 44 comprises, for example, an IGBT, MOSFET 101 or bipolar transistor and a diode 103 connected in series with it.
  • FIG. 9 shows the MOSFET 101 with its intrinsic diode 102.
  • the diode 103 connected in series with the MOSFET 101 is poled against the direction of the intrinsic diode 102 of the MOSFET 101.
  • the reverse blocking switch RSS_r 44 passes the current in the forward direction I and blocks in the opposite direction.
  • reverse blocking switch RSSJ 45 corresponds to the RSS_r 44, is installed only with the reverse polarity, so that the pass and reverse directions are reversed.
  • the reverse inhibit switch VSS 90 comprises a MOSFET 101 with its intrinsic diode 102 being shown, alternatively an IGBT or bipolar transistor.
  • the reverse blocking switches RSSJ 45, RSS_r 44 and the reverse blocking switch VSS 90 are characterized in particular by a barely noticeable delay in the switching operations, d. H. allow a very short switching time. Via a suitable drive circuit, the time delay between the turn-off and the
  • the following table shows configurations 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 of the battery 40, which can be adjusted via the coupling device 33.
  • the configuration XsYp means X battery units 41 connected in series and Y battery units 41 connected in parallel.
  • 2s1p means a series connection of two battery units 41 with respect to the high voltage subnetwork 20
  • 1s2p means a parallel connection of two battery units 41 with respect to the low voltage subnetwork 21.
  • the table underlying battery 40 includes, by way of example, four battery units 41, which are the
  • High voltage sub-network 20 and / or the low voltage sub-network 21 can each provide up to 12 V voltage.
  • FIG. 10 shows four different operating phases 102, 103, 104, 105, whose detection or setting can lead to a switching process 101 in the coupling device 33.
  • a first operating phase 102 is a passive phase of the system in which, for example, a motor vehicle has been parked or parked.
  • a second operating phase 102 is a passive phase of the system in which, for example, a motor vehicle has been parked or parked.
  • Operating phase 103 is a starting phase of the motor vehicle.
  • a third operating phase 104 is a start-stop mode of the motor vehicle.
  • a fourth operating phase 105 is an active phase of the system, for example a driving mode of the motor vehicle.
  • FIG. 11 shows the setting of the switching states in the first operating phase 102 or in other words the possible and preferred configurations 1 10, 11 1, 12, 13 of the battery in the first operating phase 102.
  • a first configuration 110 is 1 s4p which, for example, according to the above
  • High voltage subnet 20 is switched on and all others, d. H. here four battery units 41, which are connected in parallel with respect to the low voltage subnetwork 21.
  • the high-voltage sub-network 20 is supplied with the energy that can be supplied by a battery unit 41.
  • a second configuration 1 1 1, namely 4s1 p can be set, which is preferred.
  • the supply of the high-voltage sub-network 20 takes place with the sum voltage of the battery units 41.
  • the charge balance of the battery units 41 via a change in the supply of the low voltage subnet 21 done.
  • the supply of the low voltage subnet 21 takes place from a single battery unit 41.
  • the supply of the low voltage subnetwork 21 is not interrupted.
  • the supply of the low voltage subnet 21 takes place in the second configuration 1 1 1 during the shutdown preferably from that battery unit 41, which has the highest
  • Battery unit 41 is discharged faster with the highest state of charge than the other battery units 41. If the state of charge of this battery unit 41 reaches a lower limit, is switched to the next battery unit 41.
  • a reverse blocking switch VSS 90 is turned off between two adjacent battery units 41 and four reverse blocking switch RSS 44, 45 of these battery units 41 are turned on, the supply of the high voltage sub-network 20 with a reduced Voltage, here for example with three quarters of the maximum possible voltage.
  • the charge balance of the battery units 41 is a change of the supply of the
  • Low voltage subnet 21 possible. A supply of the low voltage sub-network 21 is possible without interruption when changing the battery unit 41.
  • reverse blocking switch VSS 90 between three adjacent battery units 41 are turned off and six reverse blocking switch RSS 44, 45 this
  • the charge balance of the battery units 41 can be done via a change in the supply of the low voltage subnet 21.
  • the third and fourth configurations 1 12, 1 13 are preferably set when the high-voltage sub-network 20 can be supplied with reduced voltage, but this voltage is necessarily higher than the low voltage that can be supplied by a battery unit 41. For all configurations 1 1 1, 1 12, 1 13 except the first one
  • the charge balance of the battery units 41 is performed by a change of that battery unit 41, which is used to supply the low voltage sub-network 21.
  • a change can take place either with a short interruption of the direct supply of the low-voltage sub-network 21 from a battery unit 41 and thus with appropriate measures for buffering the vehicle electrical system 1, For example, by means of the capacitor 28, or with an uninterruptible supply of the low voltage subnet 21. In the latter case, however, must in the
  • Umschaltphase be accepted that the voltage in the high-voltage sub-network 20 is temporarily limited, for example, to two-thirds.
  • FIG. 12 shows the setting of the switching states in the second operating phase 103.
  • the battery units 41 are switched to the first configuration 110, i. in the example with four battery units 41 to 1 s4p.
  • the battery 40 may deliver the maximum possible power for the start of the motor vehicle.
  • the supply of the low voltage subnet 21 takes place from the battery unit 41 with the largest state of charge.
  • FIG. 13 shows the setting of the switching states in the third operating phase 104.
  • the third operating phase 104 has a stop mode 131 and a start mode 132.
  • the second configuration 1 1 1 is preferably set.
  • the supply of the high-voltage sub-network 20 is effected by the battery 40.
  • the supply of the low-voltage sub-network 21 preferably takes place from the battery unit 41 with the lowest charge state. This results in an optimization of the preservation of
  • the first configuration 110 is set with properties as described with reference to FIG. 11.
  • FIG. 14 shows the setting of the switching states in the fourth operating phase 105.
  • the fourth operating phase 105 has a boost mode 141 and a recuperation mode 142, as well as a mode 143, which is characterized in that the generator 30 does not inject any energy into it On-board network 1 feeds and another mode 144 by it
  • boost mode 141 a battery system should deliver the highest possible power to the generator 30.
  • recuperation mode 142 the battery system should be able to be charged with as high a power as possible.
  • the second configuration 1 1 1, namely 4s1 p is preferably set.
  • boost mode 141 the supply of the Low voltage sub-network 21 from that battery unit 41 with the largest
  • recuperation mode 142 the supply of the
  • High voltage sub-network 20 can be lowered to the low voltage, the adjustment of the first configuration 1 10 is preferred. Then the vehicle electrical system 1 behaves almost like a standard low-voltage electrical system, in which the generator 30 covers the average vehicle electrical system load. With the procedure described, the switching states of the coupling device 33 for all four different operating phases 102, 103, 104, 105 of the motor vehicle can be adjusted according to a defined rule. In such places where the
  • High voltage subnet 20 is also operated with low voltage.
  • the first configuration 110 is of particular interest even if the
  • High voltage sub-network 20 is not used to power high voltage consumers 25, but to optimize the maximum power of the generator 30. Then, the generator 30 can be operated at moderate power at the low voltage, and the parallel connection of all battery units 41 causes an on-board network 1 adjusts with similar function as the low-voltage subnet 21 according to the prior art.
  • the generator 30 can supply the average on-board electrical system current, and the battery 40 serves as a buffer memory in this state. Are all battery units 41 on the Coupling unit 33 connected in parallel to the supply of the low voltage subnetwork 21, so that battery unit 41 is automatically discharged with the highest state of charge, and it automatically adjusts the charge balance of the battery units 41 a. If, starting from this state, a high power of the generator 30 is required, for example in the boost mode 141, or in a recuperation process, energy can be fed back with such high power that this is done in the low-voltage operation of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) mitzumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) und einem Starter (26) und ein Hochspannungsteilnetz (20) mitzumindest einem Hochspannungsverbraucher (25) und einem Generator (23) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz (20) Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz (21) zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) eine Batterie (40)aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz (20) abzugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41-1, 41-2, … 41-n) mit Leitungsabschnitten (80-11, 80-12, …, 80-n2) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit (33) dazu eingerichtet ist,zumindest eine erste und eine zweite Konfiguration bereitzustellen, wobei in der ersten Konfiguration das Hochspannungsteilnetz (20) aus einer Batterieeinheit (41) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21) aus zumindest einer Batterieeinheit (41) gespeist wird, und wobei in der zweiten Konfiguration das Hochspannungsteilnetz (20) aus mehreren Batterieeinheiten (41) der Batterie (40) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21) aus einer Batterieeinheit (41) gespeist wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Bordnetzes (1) sowie ein Kraftfahrzeug miteinem derartigen Bordnetz (1).

Description

Beschreibung Titel
Bordnetz und Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.
In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeugs ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 V betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer Starterbatterie eine Spannung einem Starter zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 V erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie wieder auf. Wird die Batterie über das Bordnetz geladen, kann die tatsächliche Spannung über der
Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V. Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer
Nennspannung von 48 V zu verwenden.
US 2010/131217 zeigt mehrere zusammenschaltbare Lithium-Ionen-Batterien, welche jeweils aus einzelnen in Serie geschalteten Batteriemodulen bestehen, wobei die
Batteriemodule in Serie geschaltete Batteriezellen aufweisen. Zum Betrieb eines
Niederspannungsteilnetzes ist eine weitere Batterie vorgesehen, die mittels eines
Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandlers) betrieben wird.
US 6,747,438 offenbart eine Lade- und Entladeeinheit einer Batterie, die einen
bidirektionalen DC/DC-Konverter oder einen unidirektionalen DC/DC-Ladekonverter, zusammen mit einem DC/DC-Entladekonverter, aufweisen kann. Die Lade- und Entladeeinheit steuert die Spannung und den Strom jeweils passend für die eingesetzten Batteriezellen und für eine Stromversorgungs-/Ladeeinheit. Die eingesetzten Batteriezellen umfassen erste und zweite Batteriezellen, die parallel geschaltet sind. Die Parallelschaltung der ersten und der zweiten Batteriezellen ist mit einer weiteren ähnlichen Parallelschaltung parallel geschaltet. Für die ersten Batteriezellen werden Hochleistungs-Lithium- Akkumulatoren verwendet, während für die zweiten Batteriezellen Bleizellen eingesetzt werden, die eine hohe Kapazität aufweisen. US 2012/235473 zeigt Lithium-Ionen-Batteriezellen, die miteinander und zu Terminalen in Serie geschaltet sind, welche an einen Drehstromgenerator eines Bordnetzes eines
Kraftfahrzeugs angeschlossen sind, um Ladung auf den Batteriezellen aufrechtzuerhalten und um elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen. Die Terminale sind mit einem Triebwerksteil des Bordnetzes verbunden, um das Kraftfahrzeug beim Starten mit relativ kurzem und starkem Stromfluss zu versorgen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher und einem Starter und ein Hochspannungsteilnetz mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher und einem Generator aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem
Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz abzugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Leitungsabschnitten aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit dazu eingerichtet ist, zumindest eine erste und eine zweite Konfiguration bereitzustellen, wobei in der ersten Konfiguration das Hochspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und das
Niederspannungsteilnetz aus zumindest einer Batterieeinheit gespeist wird, und wobei in der zweiten Konfiguration das Hochspannungsteilnetz aus mehreren Batterieeinheiten der Batterie, bevorzugt aus allen Batterieeinheiten der Batterie gespeist wird und das
Niederspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird. Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische
Verbraucher betrieben werden können, die auf eine erste, niedrige Spannung ausgelegt sind, und für Hochleistungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d.h. das Teilnetz mit einer gegenüber der ersten Spannung erhöhten Spannung. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes wird den Lade- und Entladevorgängen im
Hochspannungsteilnetz überlagert. Die Niederspannungsteilnetzversorgung über das Hochspannungsteilnetz findet dabei unidirektional statt, d. h. die Koppeleinheit stellt den Energietransfer bevorzugt nur in eine Richtung bereit. Das Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Kraftfahrzeugen, z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.
Insbesondere kann das Bordnetz bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp- Systeme aufweisen. Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und ein zugehöriges Steuergerät,
beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die einen 48-V-Generator und einen 14-V-Starter aufweisen, wobei der 14- V-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das Bordnetz mit 12 V bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als
Niederspannungsbordnetz bezeichnet. Das Bordnetz mit der Nennspannung von 48 V wird auch als Hochspannungsbordnetz bezeichnet.
Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die ein System zur Unterstützung beim Beschleunigen (boost) und Rückgewinnung (recuperation) von Bremsenergie aufweisen (Boost-Rekuperations-System, BRS). Bei Boost-
Rekuperations-Systemen wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das Boost-Rekuperations-System erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im
Hochspannungsteilnetz kann dabei den Verbrennungsmotor unterstützen, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken für rein elektrisches Fahren eingesetzt werden, z.B. bei einem Ein- und Ausparken.
Die Begriffe„Batterie" und„Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein
Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnen können. Die
Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können so genannte Batteriedirektkonverter (BDC, battery direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, battery direct inverter).
Bevorzugt sind die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten, insbesondere die
Batteriemodule, jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt. Die
Batterieeinheiten können also abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start-Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheiten führt.
Da der Starter im Niederspannungsteilnetz angeordnet ist, erfüllt das
Niederspannungsteilnetz die Anforderungen für einen Startvorgang, insbesondere auch für einen Kaltstartvorgang. Die Startströme können dabei zu einem erheblichen Teil von
Einheiten der Hochspannungsbatterie bereitgestellt werden, beispielsweise zu mehr als 50 %, zu mehr als 80 % oder zu 100 %. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen rückwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die rückwärtssperrfähigen Schalter zur Zu- und Wegschaltung einer selektiv zuschaltbaren Batterieeinheit zum
Niederspannungsteilnetz. Diese Schalter besitzen die Eigenschaft, dass sie im Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und im Zustand„aus" eine
Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können.
Bei der Zuschaltung einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter betätigt. Besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung einer Batterieeinheit zum
Niederspannungsteilnetz wird ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter dazu, die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten in Serie miteinander zu schalten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung einer Leitung zwischen zwei Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen den Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes miteinander parallel zu schalten. Besonders bevorzugt sind in der ersten Konfiguration zumindest zwei, bevorzugt alle Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes zueinander parallel geschaltet. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei stark abweichenden Ladezuständen der Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen
Batterieeinheit erfolgt, welche einen höheren Ladezustand aufweist bzw. eine höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus jeder der Batterieeinheiten versorgt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell, d.h. miteinander in Reihe zu schalten. Besonders bevorzugt sind in der zweiten Konfiguration zumindest zwei Batterieeinheiten, bevorzugt alle Batterieeinheiten, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen Kondensator aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die Niederspannung bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit zu stabilisieren.
Bevorzugt ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest einen weiteren Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem weiteren Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz und das Niederspannungsteilnetz jeweils aus mehreren, insbesondere zwei, drei oder vier
Batterieeinheiten gespeist werden. Die eingesetzten Batterieeinheiten sind dabei bevorzugt bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet und bezüglich des
Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Der weitere Betriebszustand kann durch mehrere von der Koppeleinrichtung bereitgestellte Konfigurationen umgesetzt sein, wie weiter unten näher erläutert wird. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen weiteren Energiespeicher aufweist, beispielsweise einen Pufferspeicher oder einen
Hochleistungsspeicher, welcher für die Bereitstellung von elektrischer Energie mit hohen Leistungen optimiert ist. Beispielsweise sind dies Kondensatorsysteme, z. B.
Reihenschaltungen von Doppelschichtkondensatoren, insbesondere von so genannten Superkondensatoren (supercapacitors). Die Batterie wird mithilfe dieses weiteren
Energiespeichers von der Bereitstellung hoher Ströme insbesondere bei tiefen Temperaturen entlastet. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien wird damit ein entscheidender Vorteil bereitgestellt. Aufgrund des Aufwands, der mit dem Einsatz des weiteren Energiespeichers im Niederspannungsteilnetz verbunden ist (herstellungstechnisch und kostentechnisch), eignet sich das System auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit großen
Verbrennungsmotoren, bei denen sehr große Kaltstartleistungen erforderlich sind. Bevorzugt wird ein weiterer Energiespeicher eingesetzt, der direkt für die Startanforderungen optimiert ausgelegt wird, um das Gesamtsystem auch bei einer hohen Anzahl von Kaltstartvorgängen bzw. einer sehr großen Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen eine lange Lebensdauer, beispielsweise im Bereich von 10 Jahren oder mehr zu gewährleisten.
Bevorzugt weist das Bordnetz ein Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit zur
Schaltung der Batterieeinheiten auf. Das Steuergerät kann beispielsweise ein der Batterie zugeordnetes Batteriemanagementsystem sein, das beispielsweise weitere funktionelle Einheiten umfasst, die eingerichtet sind, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie bzw. der
Batterieeinheiten zu erfassen, zu verarbeiten und mithilfe dieser Größen
Managementfunktionen zu realisieren, welche die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und
Sicherheit des Batteriesystems steigern.
Das Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit kann ein Computerprogramm aufweisen, welches auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein kann, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium, oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher, wie einer CD- ROM, DVD, Blu-Ray Disk, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich und alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine
Kommunikationsverbindung, wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem
Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines der zuvor beschriebenen Bordnetze erfolgt die Steuerung der Koppeleinheit zur Einstellung der ersten oder zweiten Konfiguration in Abhängigkeit einer Betriebsphase des Kraftfahrzeugs.
Eine erste Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug abgestellt ist oder parkt. Eine zweite Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug gestartet wird. Eine dritte Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug im Start-Stopp-Modus betrieben wird, und eine vierte
Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug in einem
Fahrmodus betrieben wird.
Bei Betrachtung einer optimierten Betriebsstrategie für das Bordnetz werden folgende Erwägungen angestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei gleichmäßig gealterten Zellen der Innenwiderstand und die Kapazität der Zellen bei gleichen Referenzbedingungen, d. h. im Wesentlichen gleicher Temperatur und gleichem Ladezustand, annähernd gleich sind.
Für eine Serienschaltung von Batteriezellen gelten folgende Aussagen:
Die maximal abgebbare Leistung wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt.
Die maximal entnehmbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt. Die maximal zulässige Leistung bei Ladevorgängen wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt.
Die maximal zuführbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt. Da das Batteriesystem in einem Boost-Rekuperations-System in der Lage sein soll, jederzeit möglichst viel Energie bei einem Bremsvorgang speichern zu können, und gleichzeitig in der Lage sein soll, einen Boost-Vorgang möglichst gut zu unterstützen, kann daraus die
Anforderung abgeleitet werden, dass die Batterieeinheiten und die darin befindlichen Zellen alle möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen sollten, um die gestellten Anforderungen möglichst gut zu erfüllen.
Bevorzugt wird bei der ersten Betriebsphase die zweite Konfiguration eingestellt. Die zweite Betriebsphase kann insbesondere ein Startzustand eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise auch ein Kaltstartzustand eines Kraftfahrzeugs, wobei letzterer durch den Ablauf einer definierten Zeitdauer definiert sein kann, beispielsweise nach Ablauf von 10 min, 20 min, 1 h, 2 h, 12 h oder 24 h. Da der Starter im Niederspannungsteilnetz angeordnet ist, wird in der zweiten Betriebsphase bevorzugt die erste Konfiguration eingestellt, um dem Starter die maximal mögliche Leistung bereitzustellen.
Die dritte Betriebsphase mit dem Start-Stopp-Modus umfasst einen Start-Modus und einen Stopp-Modus. Bei dem Start-Modus wird bevorzugt die erste Konfiguration gewählt, und bei dem Stopp-Modus wird bevorzugt die zweite Konfiguration gewählt, so dass im Start-Stopp- Modus abwechselnd die erste Konfiguration und die zweite Konfiguration eingestellt werden.
Bevorzugt wird bei der vierten Betriebsphase die zweite Konfiguration eingestellt.
Zusätzlich zu den Anforderungen für das Hochspannungsteilnetz sind an das System auch Anforderungen für die Startvorgänge im Niederspannungsteilnetz gestellt. Damit diese
Anforderungen mittels Kombination aus dem Hochleistungsenergiespeicher und der Batterie möglichst gut erfüllt werden, wird bevorzugt diejenige Batterieeinheit zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes eingesetzt, die zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist.
Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgt daher bevorzugt aus derjenigen Batterieeinheit, zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist. Da die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes zu den Lade- und Entladevorgängen im
Hochspannungsteilnetz überlagert ist und die Niederspannungsteilnetzversorgung unidirektional stattfindet, wird durch diese Auswahlvorschrift sichergestellt, dass die Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird bzw. langsamer geladen wird als die anderen Batterieeinheiten. Dies hat eine Symmetrisierung der
Ladezustände der Batterieeinheiten zur Folge. Damit sich bei gleichem Ladezustand der Batterieeinheiten nicht ein sehr schneller Wechsel von einer Batterieeinheit auf die nächste einstellt, wird ein Schwellwert für die Differenz ASOCumschait der Ladezustände eingeführt, z.B. eine Differenz ASOCumschait mit einem definierten Wert zwischen 0,5% und 20%, bevorzugt zwischen 1 % und 5%, besonders bevorzugt etwa 2%, der überschritten werden muss, damit die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes von einer Batterieeinheit auf diejenige Batterieeinheit wechselt, die einen entsprechend höheren Ladezustand aufweist als die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes genutzte Batterieeinheit. Die Umschaltung bei der Versorgung erfolgt auf diejenige Batterieeinheit, die aktuell den höchsten Ladezustand aufweist. Die Umschaltung erfolgt dann, wenn die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes durchgeschaltete Batterieeinheit einen Ladezustand aufweist, der um mindestens
ASOCumschait geringer ist als der Ladezustand jener Batterieeinheit mit dem höchsten
Ladezustand.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz und ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes, insbesondere mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem, für Kraftfahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperations- System mit unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie. Das System zeichnet sich daher durch ein verringertes Volumen und durch ein geringeres Gewicht gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperations-Systemen aus. Das Boost-Rekuperations- System kann außerdem bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperations-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.
Die erfindungsgemäße Vorschrift für die Auswahl der Schaltzustände der Koppeleinheit bewirkt, dass die Batterie in verschiedenen Betriebsphasen des Bordnetzes nötige Aufgaben in optimierter Weise erfüllen kann. Insbesondere wird die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes sichergestellt. Die Versorgung erfolgt möglichst
unterbrechungsfrei, d. h. möglichst ohne Spannungseinbrüche. Sollte während
Umschaltphasen der Koppeleinheit kurzfristig die unterbrechungsfreie Versorgung des Niederspannungsteilnetzes nicht möglich sein, wird der Spannungseinbruch im
Niederspannungsteilnetz trotzdem auf tolerierbare Werte begrenzt. Außerdem stellt die Batterie ausreichend elektrische Energie auch bei längeren Stillstandszeiten bereit. Die Batterie kann Hochspannungsverbraucher auch während Stoppphasen bei Start-Stopp- Betrieb versorgen.
Zugleich wird die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes sichergestellt, d. h. die Batterie stellt dem Hochspannungsteilnetz im Wesentlichen unterbrechungsfrei die elektrische Energie bereit. Hinsichtlich der Speicherung elektrischer Energie bedeutet die Optimierung, dass möglichst viel elektrische Energie bei einem Bremsvorgang zurückgewonnen werden kann und dass die Batterie dabei mit möglichst hohen Leistungen geladen werden kann. Hinsichtlich der Bereitstellung der elektrischen Energie bedeutet die Optimierung, dass die Batterie die Startvorgänge durch Bereitstellen elektrischer Energie mit der erforderlichen Spannung und Leistung ermöglicht und dass für den Boost-Betrieb möglichst viel elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Niederspannungsbordnetz nach dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler,
Figur 3 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC- Wandler, Figur 4 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer ersten Ausführungsform, Figur 5 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem
Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 6 eine Koppeleinheit in einer beispielhaften Konfiguration,
Figur 7 die Koppeleinheit aus Figur 6 in einer weiteren beispielhaften Konfiguration,
Figur 8 die Koppeleinheit aus Figur 6 in einer weiteren beispielhaften Konfiguration,
Figur 9 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter,
Figur 10 mögliche Betriebsphasen eines Kraftfahrzeugs,
Figur 1 1 Konfigurationen in einer ersten Betriebsphase,
Figur 12 Konfigurationen in einer zweiten Betriebsphase,
Figur 13 Konfigurationen in einer dritten Betriebsphase und
Figur 14 Konfigurationen in einer vierten Betriebsphase.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. In Fällen, in welchen dieselben Elemente in einer Figur mehrfach vorkommen, können deren Bezugszeichen zum Zweck des besseren Verständnisses durchnummeriert sein. Allerdings wird im Text der Übersicht halber wiederum gelegentlich auf die Durchnummerierung verzichtet. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Bordnetz 1 nach dem Stand der Technik. Beim Starten eines
Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz 1 von einer Starterbatterie 10 eine Spannung einem Starter 1 1 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter 12 geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13 an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 V erzeugt und über das
Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
Figur 2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC- Wandler 22, der eine Koppeleinheit 33 zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers sein.
Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-V-Bordnetz mit einem elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst weiterhin eine Batterie 24, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die nötige Betriebsspannung dem Hochspannungsteilnetz 20 auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Hochspannungsverbraucher 25, als Lastwiderstände dargestellt, angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
Im Niederspannungsteilnetz 21 , welches ausgangsseitig an dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet ist, befinden sich ein Starter 26 und ein Schalter 27, um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, die Niederspannung in Höhe von beispielsweise 12 V oder 14 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind Niederspannungsverbraucher 29 angeordnet, die mit der Niederspannung betrieben werden. Der Energiespeicher 28 umfasst beispielsweise galvanische Zellen, insbesondere solche einer Blei-Säurebatterie, welche in vollgeladenem Zustand (state of Charge, SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 V aufweist. Im entladenen Zustand (state of Charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 V auf. Die Bordnetzspannung im
Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 V und 15 V.
Der DC/DC-Wandler 22 ist eingangsseitig mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und mit dem Generator 23 verbunden. Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgangsseitig mit dem
Niederspannungsteilnetz 21 verbunden. Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgebildet, eine eingangsseitig empfangene Gleichspannung, beispielsweise eine Gleichspannung, mit der das Hochspannungsteilnetz 20 betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 V, zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche von der eingangsseitig empfangenen Spannung verschieden ist, insbesondere eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche kleiner ist als die eingangsseitig empfangene Spannung, beispielsweise 12 V oder 14 V, und der des Niederspannungsteilnetzes 21 entspricht.
Figur 3 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 , welche durch einen bidirektionalen, potentialtrennenden
DC/DC-Wandler 31 verbunden sind. Das dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in Figur 2 dargestellte Bordnetz 1 ausgebildet, wobei der Starter 26 aus Figur 2 mit dem Generator 23 aus Figur 2 als Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20
eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den Teilnetzen 20, 21 ein DC/DC- Wandler 31 zum Einsatz kommt, der bidirektional ausgeführt ist. In den Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, Energiespeicher 28 und Verbraucher 25, 29 angeordnet, wie mit Bezug zu Figur 2 beschrieben.
Im Wesentlichen unterscheidet sich das in Figur 3 dargestellte System durch die Einbindung des Starters 26. Während in dem in Figur 2 dargestellten System der Starter 26 im
Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet ist und hierdurch der DC/DC-Wandler 22
unidirektional für einen Energietransport vom Hochspannungsteilnetz 20 in das
Niederspannungsteilnetz 21 ausgelegt sein kann, wird bei der in Figur 3 dargestellten Architektur ein Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingesetzt. In diesem Fall ist der DC/DC-Wandler 31 bidirektional ausgeführt, sodass die Batterie 24, insbesondere die Lithium-Ionen-Batterie, ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des Kraftfahrzeugs erfolgt dann über eine Niederspannungsschnittstelle (nicht dargestellt) und den DC/DC-Wandler 31 . Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21 , beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48- V-Generator, einem 14-V-Starter und einem Boost-Rekuperations-System.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Hochspannungsverbraucher 25 angeordnet, welche durch einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, dem
Hochspannungsteilnetz 20 die Betriebsspannung von 48 V auszugeben. Die Lithium-Ionen- Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 V bevorzugt eine Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können. Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n auf, wobei den
Batterieeinheiten 41 jeweils mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 V.
Den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind Leitungsabschnitte 80-1 1 , 80-12, 80-21 , 80-22, ...80-n1 , 80-n2 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgaben, zumindest eine der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 - 2, ...41 -n der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 zu dessen Betrieb oder Unterstützung durchzuschalten, und die Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 geeignet zu verschalten.
Die Koppeleinheit 33 koppelt somit das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem
Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V. Der Aufbau und die
Funktionsweise der Koppeleinheit 33 sind mit Bezug zu den Figuren 6 bis 8 beschrieben.
Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V oder 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batterie 40 die Versorgung der Verbraucher 25, 29 bei abgestelltem Kraftfahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Kraftfahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie 40 während der Standzeit unter anderem auch die Ruheströme der
Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.
Im Niederspannungsteilnetz 21 ist außerdem ein Starter 26 angeordnet, der eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zu starten, wenn der Schalter 27 geschlossen wird.
Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Pufferspeicher 28 angeordnet, der kurzzeitig Leistung abgeben kann. Der Pufferspeicher 28 erfüllt den weiteren Zweck, dass
Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n weiter vermieden werden. Als Pufferspeicher 28 kann eine Lithium-Ionen-Batterie eingesetzt werden.
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Bordnetz 1 mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Bordnetz 1 eignet sich für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48-V-Generator, einem 14-V- Starter und einem Boost-Rekuperations-System, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit großen Verbrennungsmotoren, bei welchen eine erhebliche Startleistung bei Kaltstarts erforderlich ist. Das in Figur 5 dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in Figur 4 dargestellte Bordnetz 1 ausgebildet, mit dem Unterschied, dass anstelle des Pufferspeichers 28 ein Hochleistungsspeicher 280 eingesetzt wird, welcher in der dargestellten Ausführungsform eine Verschaltung mehrerer Kondensatoren 281 umfasst. Die Kondensatoren 281 sind beispielsweise Doppelschichtkondensatoren, insbesondere Superkondensatoren. Der Hochleistungsspeicher 280 im Niederspannungsteilnetz 21 ist für die Bereitstellung elektrischer Energie mit hohen Leistungen optimiert.
Figur 6 zeigt die Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter RSS 44, 45, welche die Eigenschaft aufweisen, dass sie in einem Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und in einem zweiten Zustand„aus" eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einfachen Halbleiterschaltern, wie z.B. IGBT-Schaltern, da diese in Rückwärtsrichtung aufgrund ihrer intrinsischen Diode keine Sperrspannung aufnehmen können. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromflussrichtung sind in Figur 6 zwei verschiedene Schaltertypen eingezeichnet, nämlich RSSJ 45 und RSS_r 44, die sich in ihrer Fertigung nicht unterscheiden, sondern lediglich mit unterschiedlicher Polarität verbaut sind. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 wird mit Bezug zu Figur 9 beschrieben.
In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte 80-1 1 , 80-12, 80-n2 der
Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n mit jeweils einem der unterschiedlichen
rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 und RSS_r 44 verbunden. Die
rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf einen Pluspol 52 geschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf einen Minuspol 51 geschaltet.
Die Koppeleinheit 33 umfasst vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 , welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 wird mit Bezug zu Figur 9 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte 80-12, 80-n1 der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern RSS 44, 45 jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, ..., 90- n1 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 verbinden die Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n seriell miteinander, wenn die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n ein vorwärtssperrfähiger Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 angeordnet, sodass sich bei n Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n n-1
vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , 90-2, ... 90-n1 vorgesehen sind.
Mit dem Bezugszeichen 73 ist der Strompfad durch die Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n zur Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 dargestellt. In Figur 6 sind sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 geschlossen. Zur Übersicht sind in den Zeichnungen stromführende Leitungen mit dickeren Linien dargestellt als nichtstromführende Leitungen.
Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des
Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n zugeschaltet ist bzw. sind. In keiner der Konfigurationen weist eines der Potentiale jedoch einen Betrag auf, der eine Spannungsgrenze in Höhe der Summe der Hochspannung und der Niederspannung überschreitet, d.h. bei einem 48-V-Netz und einem 14-V-Netz in etwa 62 V. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des
Niederspannungsteilnetzes 21 auftreten.
Figur 7 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus der Batterieeinheit 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSS_r 44-i. Vom Pluspol 52 führt dabei ein Strompfad 71 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51 .
Durch die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 ist es möglich, zwei oder mehr Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel zu schalten. In diesem Fall werden einige oder alle der vorwärtssperrfähigen
Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 in den Zustand„Aus" gesteuert. Während der
Parallelschaltung von Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 ausgeschaltet und der Generator 23 speist idealerweise keine Energie in das Hochspannungsteilnetz 20 ein. Nach einer Ausführungsform ist das Bordnetz 1 bzw. das Steuergerät so eingerichtet, dass die Batterie 40 den Generator 23 nur bei eingeschalteten vorwärtssperrfähigen Schaltern VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 mit Energie zu versorgen vermag. Für das Laden der Batterie 40 müssen die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 nicht zwingend eingeschaltet sein, da die intrinsischen Dioden 102 der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 den Ladestrom führen können. Bevorzugt werden die
vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 immer dann eingeschaltet, wenn kein Parallelbetrieb für die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 stattfindet, um die Verlustleistung innerhalb der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 zu reduzieren.
Der Betrieb des Generators 23 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. In der hier durchgeschalteten Batterieeinheit 41 -2, die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Generator 23 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (beim Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (beim Motorbetrieb). Solange die zulässigen Grenzen der Batteriezellen, z.B. der maximal zulässige Entladestrom der Zellen, nicht überschritten werden, können diese Vorgänge unabhängig voneinander betrachtet werden. Damit das Niederspannungsteilnetz 21 sicher versorgt wird, wird immer zumindest eine der
Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n über die zugehörigen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 der
Koppeleinrichtung 33 zugeschaltet. Aufgrund der mehrfach redundanten Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 kann mit der vorgestellten Architektur ein System aufgebaut werden, welches eine sehr hohe Verfügbarkeit der elektrischen Energie im
Niederspannungsteilnetz 21 aufweist.
Figur 8 zeigt eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 , die beispielhaft aus den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j erfolgt. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51 . Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den
rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-j über die erste durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -1 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-j zum Minuspol 51. Da der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41 -1 und die zweite Batterieeinheit 41 -2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel geschaltet. Bei einem unterschiedlichen Spannungsniveau der parallel geschalteten Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 erfolgt der Energiefluss in das Niederspannungsteilnetz 21 nur aus derjenigen Batterieeinheit 41 -1 , 41 -2, die das höhere Spannungsniveau aufweist. Der Energiefluss von einer Batterieeinheit 41 -1 , 41 -2 mit einer höheren Spannungslage in eine Batterieeinheit 41 - 1 , 41 -2 mit einer niedrigeren Spannungslage wird durch die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 unterbunden, die der Batterieeinheit 41 -1 , 41 -2 mit der geringeren
Spannungslage zugeordnet sind.
Figur 9 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern 90. Die Durchlassrichtung der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 und des vorwärtssperrfähigen Schalters 90 ist dabei mit I angegeben.
Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET 101 oder Bipolartransistor und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In Figur 9 ist der MOSFET 101 mit seiner intrinsischen Diode 102 dargestellt. Die zu dem MOSFET 101 in Serie geschaltete Diode 103 ist entgegen der Richtung der intrinsischen Diode 102 des MOSFET 101 gepolt. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSS_r 44 lässt den Strom in Durchlassrichtung I durch und sperrt in entgegengesetzter Richtung. Der
rückwärtssperrfähige Schalter RSSJ 45 entspricht dem RSS_r 44, wird lediglich mit der umgekehrten Polarität verbaut, so dass die Durchlass- und Sperrrichtungen vertauscht sind.
Der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 umfasst einen MOSFET 101 , wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist, alternativ einen IGBT oder Bipolartransistor. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 zeichnen sich insbesondere auch durch eine kaum merkliche Verzögerung bei den Schaltvorgängen aus, d. h. erlauben eine sehr kurze Umschaltdauer. Über eine geeignete Ansteuerschaltung kann die Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem
Einschalten der rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und des
vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90 sehr genau eingestellt werden. Die folgende Tabelle zeigt Konfigurationen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 der Batterie 40, die über die Koppeleinrichtung 33 eingestellt werden können. Die Konfiguration XsYp bedeutet dabei X Batterieeinheiten 41 in Serienschaltung und Y Batterieeinheiten 41 in Parallelschaltung. Zum Beispiel bedeutet 2s1 p eine Serienschaltung von zwei Batterieeinheiten 41 bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 und 1 s2p eine Parallelschaltung von zwei Batterieeinheiten 41 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 . Die der Tabelle zugrundeliegende Batterie 40 (nicht dargestellt) umfasst beispielhaft vier Batterieeinheiten 41 , die dem
Hochspannungsteilnetz 20 und/oder dem Niederspannungsteilnetz 21 jeweils bis zu 12 V Spannung bereitstellen können.
Konfiguration Schaltzustände Hochspannungs Niederspannungsteil-teil netz netz
1 s4p Drei vorwärtssperrfähige 12V Versorgung aus der 1 s4p
Schalter VSS 90 Batterieeinheit 41 zwischen vier
benachbarten
Batterieeinheiten 41
ausgeschaltet, acht
rückwärtssperrfähige
Schalter dieser
Batterieeinheiten 41
eingeschaltet
4s1 p Alle 48V Versorgung aus einer vorwärtssperrfähigen der vier Batterieeinheiten Schalter VSS 90 41
eingeschaltet, zwei
rückwärtssperrfähige
Schalter 44, 45 für
Niederspannungsteilnetz 21 eingeschaltet
2s1 p + 1 s2p Ein vorwärtssperrfähiger 36V Versorgung aus der 1 s2p
Schalter VSS 90 Batterieeinheit 41 zwischen zwei
benachbarten
Batterieeinheiten 41
ausgeschaltet, vier
rückwärtssperrfähige
Schalter RSS 44, 45
dieser Batterieeinheiten
41 eingeschaltet
1 s1 p + 1 s3p Zwei vorwärtssperrfähige 24V Versorgung aus der 1 s3p
Schalter VSS 90 Batterieeinheit 41 zwischen drei
benachbarten
Batterieeinheiten 41
ausgeschaltet, sechs
rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45 dieser
Batterieeinheiten 41
eingeschaltet
In Figur 10 sind vier verschiedene Betriebsphasen 102, 103, 104, 105 dargestellt, deren Detektion oder Einstellung zu einem Umschaltvorgang 101 in der Koppeleinrichtung 33 führen können. Eine erste Betriebsphase 102 ist eine passive Phase des Systems, bei welcher beispielsweise ein Kraftfahrzeug abgestellt wurde oder parkt. Eine zweite
Betriebsphase 103 ist eine Startphase des Kraftfahrzeugs. Eine dritte Betriebsphase 104 ist ein Start-Stopp-Modus des Kraftfahrzeugs. Eine vierte Betriebsphase 105 ist eine aktive Phase des Systems, beispielsweise ein Fahrmodus des Kraftfahrzeugs. Figur 1 1 zeigt die Einstellung der Schaltzustände bei der ersten Betriebsphase 102 oder mit anderen Worten die möglichen und bevorzugten Konfigurationen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 der Batterie bei der ersten Betriebsphase 102.
Eine erste Konfiguration 1 10 ist 1 s4p, welche, beispielsweise gemäß der zuvor
beschriebenen Tabelle, verstanden werden kann als eine Batterieeinheit 41 , die dem
Hochspannungsteilnetz 20 zugeschaltet ist und alle anderen, d. h. hier vier Batterieeinheiten 41 , die bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel geschaltet sind. In der ersten Konfiguration 1 10 erfolgt eine Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 mit der von einer Batterieeinheit 41 bereitstellbaren Energie. Bei der Parallelschaltung der
Batterieeinheiten 41 zur ersten Konfiguration 1 10 erfolgt die Entladung der Batterieeinheit 41 mit dem höchsten Ladezustand automatisch, und es stellt sich ein Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 ein.
Falls das Hochspannungsteilnetz 20 in der ersten Betriebsphase 102 versorgt werden soll, kann eine zweite Konfiguration 1 1 1 , nämlich 4s1 p eingestellt werden, was bevorzugt wird. Bei der zweiten Konfiguration 1 1 1 erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 mit der Summenspannung der Batterieeinheiten 41 . Zusätzlich kann der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 über einen Wechsel der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgen. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt aus einer einzigen Batterieeinheit 41 . Bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit 41 erfolgt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 nicht unterbrechungsfrei. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt in der zweiten Konfiguration 1 1 1 während der Abstellphase bevorzugt aus jener Batterieeinheit 41 , die den höchsten
Ladezustand aufweist. Durch diese Auswahlvorschrift wird sichergestellt, dass die
Batterieeinheit 41 mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird als die weiteren Batterieeinheiten 41. Erreicht der Ladezustand dieser Batterieeinheit 41 einen unteren Grenzwert, wird auf die nächste Batterieeinheit 41 umgeschaltet.
Bei einer dritten Konfiguration 1 12, nämlich 2s1 p + 1 s2p, wobei ein vorwärtssperrfähiger Schalter VSS 90 zwischen zwei benachbarten Batterieeinheiten 41 ausgeschaltet ist und vier rückwärtssperrfähige Schalter RSS 44, 45 dieser Batterieeinheiten 41 eingeschaltet sind, erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 mit einer reduzierten Spannung, hier beispielsweise mit drei Viertel der maximal möglichen Spannung. Der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 ist über einen Wechsel der Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes 21 möglich. Eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 ist bei einem Wechsel der Batterieeinheit 41 unterbrechungsfrei möglich.
In einer vierten Konfiguration 1 13, nämlich 1 s1 p + 1 s3p, bei welcher zwei
vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 zwischen drei benachbarten Batterieeinheiten 41 ausgeschaltet sind und sechs rückwärtssperrfähige Schalter RSS 44, 45 dieser
Batterieeinheiten 41 eingeschaltet sind, erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes
20 mit einer reduzierten Spannung, hier beispielsweise mit drei Viertel der Nennspannung. Der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 kann über einen Wechsel in der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgen. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes
21 ist dabei über einen Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit 41 unterbrechungsfrei möglich.
Die dritte und die vierte Konfiguration 1 12, 1 13 werden bevorzugt dann eingestellt, wenn das Hochspannungsteilnetz 20 zwar mit reduzierter Spannung versorgt werden kann, diese Spannung aber notwendigerweise höher als die von einer Batterieeinheit 41 bereitstellbare Niederspannung ist. Bei allen Konfigurationen 1 1 1 , 1 12, 1 13 mit Ausnahme der ersten
Konfiguration 1 10 wird der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 durch einen Wechsel jener Batterieeinheit 41 durchgeführt, die zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 herangezogen wird. Ein solcher Wechsel kann entweder mit kurzer Unterbrechung der direkten Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 aus einer Batterieeinheit 41 und damit mit entsprechenden Maßnahmen zur Pufferung des Bordnetzes 1 erfolgen, beispielsweise mittels des Kondensators 28, oder mit einer unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. Im letztgenannten Fall muss allerdings in der
Umschaltphase hingenommen werden, dass die Spannung im Hochspannungsteilnetz 20 kurzzeitig begrenzt ist, beispielsweise auf zwei Drittel.
In Figur 12 ist die Einstellung der Schaltzustände in der zweiten Betriebsphase 103 dargestellt. Hierbei werden die Batterieeinheiten 41 in die erste Konfiguration 1 10 geschaltet, d.h. im Beispiel mit vier Batterieeinheiten 41 zu 1 s4p. In der ersten Konfiguration 1 10 kann die Batterie 40 die maximal mögliche Leistung für den Start des Kraftfahrzeugs abgeben. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt aus der Batterieeinheit 41 mit größtem Ladezustand. Außerdem erfolgt eine Optimierung der Ladezustandsdifferenz der
Batterieeinheiten 41 , wie mit Bezug zu Figur 1 1 beschrieben.
Figur 13 zeigt die Einstellung der Schaltzustände in der dritten Betriebsphase 104. Die dritte Betriebsphase 104 weist einen Stopp-Modus 131 und einen Start-Modus 132 auf. Bei dem Stopp-Modus 131 wird bevorzugt die zweite Konfiguration 1 1 1 eingestellt. Hierbei erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 durch die Batterie 40. Bevorzugt erfolgt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 dabei aus der Batterieeinheit 41 mit geringstem Ladezustand. Hierdurch ergibt sich eine Optimierung der Erhaltung der
Leistungsfähigkeit für den Start des Kraftfahrzeugs. Bei dem Start-Modus 132 wird die erste Konfiguration 1 10 mit Eigenschaften, wie mit Bezug zu Figur 1 1 beschrieben, eingestellt.
Figur 14 zeigt die die Einstellung der Schaltzustände in der vierten Betriebsphase 105. Die vierte Betriebsphase 105 weist einen Boost-Modus 141 und einen Rekuperations-Modus 142 auf, sowie einen Modus 143, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Generator 30 keine Energie in das Bordnetz 1 einspeist und einen weiteren Modus 144, der dadurch
gekennzeichnet ist, dass der Generator 30 nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz 1 einspeist, beispielsweise weniger als 12 V oder als 24 V. Im Boost-Modus 141 soll ein Batteriesystem möglichst hohe Leistung an den Generator 30 abgeben. Im Rekuperations-Modus 142 soll das Batteriesystem mit möglichst hoher Leistung geladen werden können. Zusätzlich soll im Boost-Modus 141 und im Rekuperations-Modus 142 möglichst viel Energie bereitgestellt bzw. aufgenommen werden können. Daher werden im Boost-Modus 141 und im Rekuperations-Modus 142 bevorzugt die zweite Konfiguration 1 1 1 , nämlich 4s1 p eingestellt. Im Boost-Modus 141 erfolgt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 aus derjenigen Batterieeinheit 41 mit dem größten
Ladezustand, und es findet die Optimierung der Ladezustandsdifferenz der Batterieeinheiten 41 statt. Im Rekuperations-Modus 142 erfolgt die Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes 21 aus derjenigen Batterieeinheit 41 mit dem größten
Ladezustand, und es findet die Optimierung der Ladezustandsdifferenz der Batterieeinheiten 41 statt.
In den Betriebsmodi 143, 144, in denen der Generator 30 keine Energie in das Bordnetz 1 einspeist oder nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz 1 einspeist, beispielsweise um den Energiebedarf zu decken, wenn längere Zeit kein Rekuperations-Modus 142 aufgetreten ist, können prinzipiell alle vier Konfigurationen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 eingestellt werden. In diesen Betriebsmodi 143, 144, in denen der Generator 30 keine Energie in das Bordnetz 1 einspeist oder nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz 1 einspeist, gelten die für die erste Betriebsphase 102 getroffenen Aussagen. Falls die Spannung im
Hochspannungsteilnetz 20 bis auf die Niederspannung abgesenkt werden kann, wird die Einstellung der ersten Konfiguration 1 10 bevorzugt. Dann verhält sich dessen Bordnetz 1 nahezu wie ein Standard-Niederspannungsbordnetz, bei dem der Generator 30 die mittlere Bordnetzlast deckt. Mit der beschriebenen Vorgehensweise können die Schaltzustände der Koppeleinrichtung 33 für alle vier verschiedenen Betriebsphasen 102, 103, 104, 105 des Kraftfahrzeugs nach einer definierten Vorschrift eingestellt werden. An solchen Stellen, bei denen die
Beschreibung noch Optionen oder Alternativen offen lässt, kann durch die oben
beschriebenen Erwägungen zur Betrachtung der optimierten Betriebsstrategie für das Bordnetz 1 Eindeutigkeit geschaffen werden, beispielsweise indem das
Hochspannungsteilnetz 20 auch mit Niederspannung betrieben wird.
Die erste Konfiguration 1 10 ist insbesondere auch dann von Interesse, wenn das
Hochspannungsteilnetz 20 nicht zur Versorgung von Hochspannungsverbrauchern 25, sondern zur Optimierung der Maximalleistung des Generators 30 eingesetzt wird. Dann kann der Generator 30 bei moderaten Leistungen bei der Niederspannung betrieben werden, und die Parallelschaltung aller Batterieeinheiten 41 bewirkt, dass sich ein Bordnetz 1 mit ähnlicher Funktion wie das Niederspannungsteilnetz 21 gemäß dem Stand der Technik einstellt. Der Generator 30 kann den mittleren Bordnetzstrom liefern, und die Batterie 40 dient in diesem Zustand als Pufferspeicher. Werden alle Batterieeinheiten 41 über die Koppeleinheit 33 parallel zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 angeschlossen, so wird automatisch diejenige Batterieeinheit 41 mit dem höchsten Ladezustand entladen, und es stellt sich automatisch der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 ein. Wird ausgehend von diesem Zustand eine hohe Leistung des Generators 30 gefordert, zum Beispiel im Boost-Modus 141 , oder kann bei einem Rekuperationsvorgang Energie mit so hoher Leistung zurückgespeist werden, dass dies im Niederspannungsbetrieb des
Generators 30 nicht realisierbar ist, so wird die Batterie 40 über Änderungen der
Schaltzustände in der Koppeleinheit 33 auf die zweite Konfiguration 1 1 1 umkonfiguriert. Bei Verwendung der beschriebenen schnellen Halbleiterschaltungen der Koppeleinrichtung 33 können die hierfür erforderlichen Schaltzeiten sehr klein gehalten werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1 . Bordnetz (1 ) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1 ) ein
Niederspannungsteilnetz (21 ) mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher (29) und einem Starter (26) und ein Hochspannungsteilnetz (20) mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher (25) und einem Generator (23) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21 ) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem
Hochspannungsteilnetz (20) Energie zu entnehmen und dem
Niederspannungsteilnetz (21 ) zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) eine Batterie (40) aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz (20) abzugeben, und die zumindest zwei
Batterieeinheiten (41 -1 , 41 -2, ... 41 -n) mit Leitungsabschnitten (80-1 1 , 80-12, 80- n2) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, zumindest eine erste und eine zweite Konfiguration (1 10, 1 1 1 ) bereitzustellen, wobei in der ersten Konfiguration (1 10) das Hochspannungsteilnetz
(20) aus einer Batterieeinheit (41 ) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz
(21 ) aus zumindest einer Batterieeinheit (41 ) gespeist wird, und wobei in der zweiten Konfiguration (1 1 1 ) das Hochspannungsteilnetz (20) aus mehreren Batterieeinheiten (41 ) der Batterie (40) gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz (21 ) aus einer Batterieeinheit (41 ) gespeist wird.
2. Bordnetz (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten
Konfiguration (1 10) zumindest zwei Batterieeinheiten (41 ) bezüglich des
Niederspannungsteilnetzes (21 ) zueinander parallel geschaltet sind.
3. Bordnetz (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Konfiguration (1 1 1 ) zumindest zwei Batterieeinheiten (41 ) bezüglich des Hochspannungsteilnetzes (20) seriell geschaltet sind.
4. Bordnetz (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, zumindest einen weiteren
Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem weiteren Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz (20) und das Niederspannungsteilnetz (21 ) jeweils aus mehreren, insbesondere zwei, drei oder vier Batterieeinheiten (41 ) gespeist werden.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Bordnetz (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerung der Koppeleinheit (33) zur Einstellung der ersten und zweiten
Konfiguration (1 10, 1 1 1 ) in Abhängigkeit einer Betriebsphase (102, 103, 104, 105) eines Kraftfahrzeugs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine erste Betriebsphase (102) dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kraftfahrzeug abgestellt ist oder parkt, und wobei bei der ersten Betriebsphase (102) die zweite Konfiguration (1 1 1 ) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine zweite Betriebsphase (103) dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kraftfahrzeug gestartet wird, und wobei bei der zweiten Betriebsphase (103) die erste Konfiguration (1 10) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine dritte Betriebsphase (104) dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kraftfahrzeug in einem Start-Stopp-Modus betrieben wird, und wobei bei der dritten Betriebsphase (103) abwechselnd die erste Konfiguration (1 10) und die zweite Konfiguration (1 1 1 ) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine vierte Betriebsphase (105) dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kraftfahrzeug in einem Fahrmodus betrieben wird, und wobei bei der vierten Betriebsphase (105) die zweite Konfiguration (1 1 1 ) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Konfiguration (1 1 1 ) die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes (21 ) aus derjenigen Batterieeinheit (41 ) erfolgt, die den höchsten Ladezustand aufweist.
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