WO2015110579A1 - Verfahren zum betrieb eines bordnetzes - Google Patents

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WO2015110579A1
WO2015110579A1 PCT/EP2015/051362 EP2015051362W WO2015110579A1 WO 2015110579 A1 WO2015110579 A1 WO 2015110579A1 EP 2015051362 W EP2015051362 W EP 2015051362W WO 2015110579 A1 WO2015110579 A1 WO 2015110579A1
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battery
low
battery unit
unit
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Holger Fink
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/46—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ICE-powered road vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a vehicle electrical system for a motor vehicle.
  • the invention also relates to a battery management system and a
  • Computer program which are set up to carry out the method, as well as an electrical system and a motor vehicle, on which the method can be performed.
  • an electrical system for supplying the electric starter or starter for the internal combustion engine and other electrical devices of the motor vehicle, which is operated by default with 12 volts.
  • starting the engine is on the electrical system of a
  • Starter battery provided a voltage to a starter, which the
  • Internal combustion engine starts when, for example, by a corresponding starter signal, a switch is closed. If the internal combustion engine is started, this drives an electric generator, which then generates a voltage of about 12 volts and provides it via the electrical system to the various electrical consumers in the vehicle. The electric generator also charges the starter battery charged by the starting process. If the battery is charged via the electrical system, the actual voltage may also be above the rated voltage, eg. B. at 14 V or at 14.4 V. The electrical system with 12 V, or 14 V voltage is referred to in the present disclosure as a low-voltage electrical system.
  • the inventive method relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle, wherein the electrical system comprises a low-voltage subnet for at least one low-voltage consumer and a high-voltage subnet for at least one high-voltage consumer and a starter generator, wherein 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 output to the high voltage subnet, and having at least two battery units with Einzelpressivesabgriffe to the
  • Coupling unit are guided, wherein the coupling unit is arranged to selectively connect the battery units to the low voltage subnet.
  • the battery unit to be connected to the low-voltage subnetwork is carried out in the following steps: a) disconnecting a line between a first, switched-on and the second battery unit to be connected; b) connecting the second, zuzuchaden battery unit to the
  • the invention has the advantage that electrical through the low voltage subnet
  • Partial electrical system with the opposite voltage to the first voltage.
  • the supply of the low voltage subnetwork is the loading and unloading in the
  • the low voltage subnetwork supply via the High-voltage subnetwork takes place unidirectionally, ie the coupling unit preferably provides the energy transfer only in one direction.
  • the method offers an advantageous switching concept, which allows the
  • the low-voltage subnet is supplied from at least one battery unit.
  • the battery is still available to the high voltage subnet as memory during the switching operations.
  • the voltage may briefly be below the nominal value, but it is an energy flow in both directions, i. Charging and discharging the battery, possible.
  • 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 designate.
  • Battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules.
  • modules can form so-called battery direct converters (BDCs) and several battery direct converters form a battery direct inverter (BDI).
  • BDCs battery direct converters
  • BDI battery direct inverter
  • the battery units can thus be alternately claimed to provide the low voltage, z. B. to support a start-stop system, resulting in an increased life of the battery unit.
  • the coupling unit has at least one reverse-blocking switch.
  • the reverse-blocking switch for connecting and disconnecting a selectively switchable battery unit for
  • the coupling unit has at least one reverse-blocking switch.
  • the forward blocking switches are preferably suitable for the series connection of the selectively switchable battery units. It is preferably provided that in the separation of the line between the first, switched on and the second battery unit to be switched on in step a), at least one reverse-blocking switch is actuated.
  • At least one reverse-blocking switch is actuated when connecting the line between the first battery unit switched off by the low-voltage subnetwork and the second battery unit connected to the low-voltage subnetwork.
  • the first, connected battery unit and the second battery unit to be switched on after the connection of the second,
  • the first, switched-on battery unit and the second battery unit to be switched or the first, disconnected battery unit and the second, connected battery unit are connected in series with the line connected between them with respect to the high-voltage subnetwork.
  • the first and the second battery unit, with a connected line between them, with respect to the High voltage subnet connected in series and adjacent are connected in series and adjacent. If a change to a not directly adjacent battery unit is required, several switching operations are performed in quick succession, so that adjacent battery units are involved in each switching operation.
  • the low-voltage subnetwork has at least one capacitor.
  • the capacitor is preferably configured to further stabilize the low voltage when changing the connected battery unit.
  • AU max selected, where l max is the maximum on-board electrical system current that is to flow during switching operations in the low voltage subnet , t umsch ait the time during which no battery unit is ready for the supply, and AU max the maximum allowable change
  • the capacitor is also preferably also suitable as an energy store, which is set up to generate the low voltage at least in the short term and to output it to the low voltage subnet.
  • the voltage dip in the low-voltage subnetwork can be further advantageously reduced if the switchover occurs at such times when the on-board electrical system current is as low as possible. This can be done, for example, by evaluating a signal for the on-board electrical system current and dependent control of the switch of the coupling unit. In addition, syncing with a
  • Consumer management system to provide high-performance consumers, such.
  • the invention also proposes a computer program according to which one of the methods described herein is performed when the computer program is executed on a programmable computer device.
  • the computer program can be, for example, a module for implementing a device for operating an electrical system or a module for implementing a
  • the computer program can be stored on a machine-readable storage medium, such as 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 Disc, a USB stick or a memory card. Additionally and alternatively, 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 communication link, such as a telephone line or a wireless link.
  • a computing device such as on a server or a cloud server, for example via a data network, such as the Internet, or a communication link, such as a telephone line or a wireless link.
  • a battery management system (BMS) is also provided, which has facilities for performing one of the described methods for operating a vehicle electrical system.
  • the battery management system has a unit which is set up to control the coupling unit such that battery units are connected to the low-voltage subnet and switched off.
  • an electrical system is also specified, on which one of the described methods can be carried out, wherein the coupling unit is set up to couple the battery units with respect to the high-voltage sub-network in series and with respect to the low-voltage subnet in parallel.
  • the electrical system can be used both in stationary applications, e.g. in wind turbines, as well as in vehicles, e.g. in hybrid and electric vehicles.
  • the electrical system can be used in vehicles that have start-stop systems.
  • the presented system, d. H. the electrical system and the battery management system is particularly suitable for use in vehicles having a 48-volt generator and a 14-volt starter, the 14-volt starter is preferably designed for start / stop systems.
  • the presented system is particularly suitable for use in vehicles that have a so-called boost recuperation system (BRS).
  • BRS boost recuperation system
  • Boost recuperation systems (BRS) generate electrical energy during braking
  • the BRS increases the efficiency of the system so that fuel can be saved or emissions can be reduced.
  • the battery in the high voltage subnet supports either the internal combustion engine, which is referred to as a boost, or it is even used at low speeds for short distances for purely electric driving, for example in an electric parking and parking.
  • a boost the internal combustion engine
  • According to the invention also discloses a motor vehicle, with a
  • the invention provides a low-cost vehicle electrical system with a lithium-ion battery system for vehicles, which has a high-voltage subnetwork, for example with a 48-volt generator, a low-voltage subnetwork and a boost recuperation system
  • the Boost recuperation system with a suitable design compared to BRS systems currently under development, can store significantly more energy and thereby recover more electrical energy in the system during longer braking or downhill driving.
  • the proposed method according to the invention comprises an operating strategy which enables the supply of the low voltage subnet without interruption.
  • FIG. 1 shows a low-voltage on-board network according to the prior art
  • Figure 2 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 3 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • Figure 4 shows a vehicle electrical system with a high voltage subnet and a
  • FIG. 5 shows a coupling unit
  • FIG. 6 shows the coupling unit from FIG. 5 in an exemplary operating state
  • FIG. 1 shows a vehicle electrical system 1 according to the prior art.
  • Internal combustion engine is provided via the electrical system 1 from a starter battery 10, a voltage to a starter 1 1 available, which (not shown) starts the engine when, for example, by a corresponding starter signal, a switch 12 is closed. If the internal combustion engine is started, this drives an electric generator 13, which then generates a voltage of about 12 volts and provides it via the vehicle electrical system 1 to the various electrical consumers 14 in the vehicle. The electric generator 13 also charges the starter battery 10 charged by the starting process.
  • FIG. 2 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • the electrical system 1 may be a vehicle electrical system of a vehicle, in particular a motor vehicle, transport vehicle or forklift.
  • the high-voltage sub-network 20 is, for example, a 48-volt 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
  • the High voltage subnet 20 further includes 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 subnet.
  • 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 subnet.
  • load resistors 25 are arranged, 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, which is set to close a switch 27 to start the engine, and an energy storage 28, which is set, a nominal voltage in Level of 12V for the low voltage subnet 21.
  • the vehicle electrical system voltage in the low-voltage sub-network 21 is in driving operation, depending on the temperature and state of charge of the energy storage device 28, approximately in the range between 10.8 volts and 15 volts.
  • 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 designed to receive a DC voltage received on the input side, for example a DC voltage with which the high-voltage subnetwork is operated, for example between 12 and 48 volts, 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.
  • FIG. 3 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • Low voltage sub-network 21 which are connected by a bidirectional, potential-separating DC / DC converter 31.
  • the on-board electrical system 1 shown is designed substantially like the vehicle electrical system illustrated in FIG. 2, the generator being integrated in the high-voltage subnetwork and a DC / DC converter for the energy transfer between the sub-board networks 20, 21.
  • Transducer 31 is used, which is carried out isolating.
  • Batteries 24, 28 and consumers 25, 29 are also arranged in both subnetworks 20, 21, as described with reference to FIG. Essentially, the system illustrated in FIG. 3 differs in the integration of the starter.
  • the starter 26 is arranged in the low voltage subnet 21 and thereby the DC / DC converter 22 unidirectional for energy transport from the high voltage sub-network 20 in the low voltage subnet 21 can be designed in the architecture shown in Figure 3 is a starter -Generator 30 used in the high voltage sub-network 20.
  • the DC / DC converter 31 is bidirectional, so that the lithium-ion battery 24 can be charged via the low-voltage sub-network 21, if necessary.
  • Low-voltage vehicle then takes place via the low-voltage interface and the DC / DC converter 31.
  • FIG. 4 shows a vehicle electrical system 1 with a high-voltage sub-network 20 and a
  • Low voltage subnet 21 for example, a vehicle electrical system 1 of a vehicle, in particular a motor vehicle, transport vehicle or forklift.
  • the electrical system 1 is particularly suitable for use in vehicles with a 48-volt generator, a 14-volt starter and a boost recuperation system.
  • the high-voltage sub-network 20 includes a starter-generator 30, which has a
  • the starter-generator 30 is designed to generate electrical energy as a function of a rotational movement of the engine of the vehicle and to feed it into the high-voltage sub-network 20.
  • the high voltage sub-network 20 further load resistors 25 are arranged, which may be formed for example by at least one, preferably by a plurality of electrical consumers of the motor vehicle, with the
  • 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
  • the lithium-ion battery 40 preferably has a minimum capacity of approximately 15 Ah at a nominal voltage of 48 V in order to be able to store the required electrical energy.
  • the battery 40 has a plurality of battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n, wherein the
  • Battery units 41 are assigned a plurality of battery cells, which are usually connected in series and partially in addition to each other in parallel to the required
  • the individual battery cells are, for example, lithium-ion batteries with a voltage range of 2.8 to 4.2 volts.
  • the battery units 41 -1, 41 -2, ... 41 -n are assigned Einzelpressivesabgriffe 80-1 1, 80-12, 80-21, 80-22, ... 80-n1, 80-n2, via which the Voltage of a coupling unit 33 is supplied.
  • the coupling unit 33 has the task, at least one of the battery units 41 of the battery 40 to the Niederschreibsteilnetzt 21 to its operation or
  • the coupling unit 33 couples the high voltage subnet 20 to the
  • Low-voltage sub-network 21 and provides the output side, the low-voltage sub-network 21, the necessary operating voltage ready, for example, 12 V or 14 V.
  • the low-voltage sub-network 21 includes the low-voltage consumers 29, which are designed, for example, for operation at 14 V voltage.
  • Embodiment is provided that the lithium-ion battery 40, the supply of closed circuit loads, which are shown as a consumer 25, 29, takes over when the vehicle is parked.
  • the lithium-ion battery 40 the supply of closed circuit loads, which are shown as a consumer 25, 29, takes over when the vehicle is parked.
  • the requirements of the so-called airport tests are met, wherein after six weeks of service the vehicle is still bootable and the battery provides the quiescent currents of the low-voltage consumers 29 in the low voltage subnet 21 during the service life, so that, for example, an anti-theft alarm system is supplied.
  • a high-performance memory 28 or buffer memory is optionally arranged, which can deliver very high power for a short time, ie. H. optimized for high performance.
  • the high-performance memory 28 fulfills the purpose that overvoltages when switching the battery units 41 are further avoided. Is used as
  • High-performance memory 28 a capacitor used, its dimensioning is preferred: AU where Lax is the maximum on-board electrical system current which can flow in the I during the switching operations, t equals the time during which no battery unit 41 for the
  • the electrical system shown in Figure 4 may further comprise a battery management system (BMS) (not shown).
  • BMS battery management system
  • the battery management system comprises a control unit which is set up to acquire and process measurement data on temperatures, voltages provided, discharged currents and charge states of the battery 40 or of the battery units 41, and from this statements about the
  • the battery management system in this case comprises a unit which is set up to control the coupling unit 33 in such a way that it can switch on the battery units 41 selectively in the low-voltage sub-network 21.
  • FIG. 5 shows a coupling unit 33, which is designed as a unidirectional, galvanically non-separating DC-DC converter (DC / DC converter).
  • the coupling unit 33 comprises reverse blocking switches 44, 45, which have the property that in a state "on” they allow current to flow in only one direction and in a second state “off” they can absorb a blocking voltage of both polarities.
  • This is an essential difference to simple semiconductor switches, such as e.g. IGBT switches, as they can not pick up reverse voltage due to their intrinsic diode.
  • two different types of switches are shown in FIG. 5, namely RSSJ 45 and RSS_r 44, which do not differ in their production, but are merely installed with different polarity.
  • the individual taps 80 of the battery units 41 are each supplied to one of the different reverse blocking switches RSSJ 45 and RSS_r 44.
  • the reverse blocking switch RSSJ 45 are the output side of the coupling unit 33 connected to the positive pole 52, and the reverse blocking switch RSS_r 44 are
  • the coupling unit 33 includes reverse blocking switches 90, which may be, for example, standard semiconductor switches. An example of the structure of the reverse inhibit switch 90 will be described with reference to FIG. In the
  • the individual taps 80 of the battery units 41 are branched and fed in parallel to the reverse blocking switches each a non-forward switch VSS 90.
  • the reverse inhibit switches VSS 90 serially connect the battery units 41 if the switches 90 are closed.
  • a forward-blocking switch 90 is arranged between each two battery units 41, so that n-1 reverse-blocking switches VSS 90-1, VSS 90-2,... VSS 90-n-1 are provided at n battery units 41.
  • the voltage level of the high voltage subnet 20 based on the mass of
  • Low voltage sub-network 21 depends on which of the battery units 41 is switched on or are. In any of the operating states, however, one of the potentials has an amount which is a voltage limit equal to the sum of the high voltage and the
  • Low voltage exceeds, i. at a 48 volt mains and a 14 volt mains at about 62 volts. However, there may be negative potentials compared to the mass of the
  • the operation of the starter-generator 30 is independent of the operation of the coupling unit 33 and the supply of the low voltage subnet. In the through-connected
  • Battery unit 41 which supplies the low voltage subnet 21, results in a
  • Low voltage sub-network 21 can be constructed with the architecture presented a system which has a very high availability of electrical energy in the
  • FIG. 6 shows the supply of the low-voltage sub-network 21 by way of example from FIGS.
  • a first current path 71 leads via a reverse blocking switch RSSJ 45-i via the first battery unit 44-1 and via the further reverse blocking switch RSS r 44-j to the negative pole 51.
  • a further current path 72 leads via the reverse blocking switch RSSJ 45-j via the second through-connected battery unit 41 -2 via the further reverse blocking switch RSS_r 44-i to the negative pole 51. Since the switch 90-1 is open, the first Battery unit 41 -1 and the second battery unit 41 -2 connected in parallel with respect to the low voltage subnet.
  • the positive pole of the first battery unit 41 -1 is electrically high impedance connected.
  • a switching method in which in a first step a) the line between the first connected battery unit, here for example the battery unit 41 -1, and the second switched battery unit, here exemplified the battery unit 41 -2, arranged by means arranged in the line forward blocking Switch VSS 90-1 is disconnected.
  • the battery 40 has a total voltage of 36 volts, which is provided to the high-voltage sub-network 20, so that the high-voltage sub-network 20 is allowed to have a bidirectional energy flow.
  • the further battery units 41 -2, ... 41 -n form a series connection of n-1 battery units.
  • a second step b) follows, with a delay whose duration in
  • FIG. 6 shows the state after step b) in which the two battery units 41 -2 and 41 -1 are connected in parallel.
  • the delay between switching off and on is required, since otherwise the voltage in the low-voltage sub-network 21 would rise to impermissibly high values in all switching operations during the transition phase, in the case illustrated in FIG. 6 to the sum of the voltages of the sub-batteries 41 -1 and 41 -2, that is twice the value.
  • the coupling device 33 is switched with a delay time, but this means that the supply of the low voltage sub-network 21 is briefly interrupted.
  • buffering may be performed by means of the capacitor 28, as described with reference to FIG. 4, in accordance with some embodiments.
  • a third step c) takes place, if a change of the low voltage sub-network 21 switched battery unit 41 is provided, the shutdown of the first,
  • step a) all non-forward-locking switches 90 are turned off.
  • the starter-generator 30 feeds in the switching phase no energy in the high-voltage subnet and does not work in boost mode.
  • the reverse blocking switches 44, 45 of the associated battery unit or battery units 41 are switched on.
  • the switching can also be done between not directly adjacent battery units 41.
  • FIG. 7 shows a possible construction of reverse-blocking switches 44, 45 and reverse-blocking switches 90.
  • the forward direction is indicated by I.
  • a reverse inhibit switch RSS_r 44 comprises, for example, an IGBT, MOSFET or bipolar transistor 101 and a series connected diode 103.
  • a reverse inhibit switch 90 includes a MOSFET, IGBT, or bipolar transistor 101, wherein its intrinsic diode 102 is shown with.
  • the switches RSSJ 45, RSS_r 44 and VSS 90 are characterized in particular by a barely noticeable delay in the switching operations, ie allow a very short switching time. By means of a suitable drive circuit, the time delay between switching off and switching on the switches can be set very precisely.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz (1) ein Niederspannungsteilnetz (21) für zumindest einen Niederspannungsverbraucher (29) und ein Hochspannungsteilnetz (20) für zumindest einen Hochspannungsverbraucher (25) und einen Starter-Generator (30) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, 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) auszugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten (41) mit Einzelspannungsabgriffen (80) aufweist, die an die Koppeleinheit (33) geführt sind, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41) dem Niederspannungsteilnetz (21) selektiv zuzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41) auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz (21) zuzuschaltende Batterieeinheit (41) in folgenden Schritten erfolgt: a) Trennen einer Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41); b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41) zu dem Niederspannungsteilnetz (21); c) Abschaltender ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41) von dem Niederspannungsteilnetz (21); d) Verbinden der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz (21) abgeschalteten Batterieeinheit (41) und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz (21) zugeschalteten Batterieeinheit (41). Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemanagementsystem und ein Computerprogramm, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Bordnetz und ein Kraftfahrzeug, auf welchen das Verfahren ausgeführt werden kann.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes
Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemanagementsystem und ein
Computerprogramm, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Bordnetz und ein Kraftfahrzeug, auf weichen das Verfahren ausgeführt werden kann.
In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 Volt betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer
Starterbatterie eine Spannung einem Starter zur Verfügung gestellt, 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 Volt erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie wieder auf. Wird die Batterie über das Bordnetz geladen, kann die tatsächliche Spannung auch über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V. Das Bordnetz mit 12 V, bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als ein Niederspannungsbordnetz bezeichnet.
Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer
Nennspannung von 48 V zu verwenden, welches im Rahmen der Erfindung auch als ein Hochspannungsbordnetz bezeichnet wird. Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen Starter-Generator aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem
Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz auszugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen aufweist, die an die
Koppeleinheit geführt sind, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zuzuschalten. Ein Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit auf eine zweite, dem
Niederspannungsteilnetz zuzuschaltende Batterieeinheit erfolgt dabei in folgenden Schritten: a) Trennen einer Leitung zwischen einer ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit; b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem
Niederspannungsteilnetz; c) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem
Niederspannungsteilnetz; d) Verbinden der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz
abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit. Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische
Verbraucher betrieben werden können, die auf eine niedrige erste Spannung ausgelegt sind, und für Hochleistungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d.h. das
Teilbordnetz mit der 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 Verfahren bietet ein vorteilhaftes Umschaltkonzept, welches erlaubt, dass die
Versorgung des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei erfolgt, d.h., dass auch bei Umschaltvorgängen das Niederspannungsteilnetz aus mindestens einer Batterieeinheit versorgt wird. Hierdurch können Spannungseinbrüche im Niederspannungsteilnetz auch ohne zusätzliche Puffereinrichtungen vermieden werden. Die Batterie steht während der Umschaltvorgänge dem Hochspannungsteilnetz weiterhin als Speicher zur Verfügung. Dabei kann die Spannung kurzzeitig unter dem Nennwert liegen, es ist jedoch ein Energiefluss in beiden Richtungen, d.h. Laden und Entladen der Batterie, möglich.
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 einen Batteriepack bezeichnen können. Die
Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können so genannte Batteriedirektkonverter (BDC, battery direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, battery direct inverter).
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.
So ist von Vorteil, wenn die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten jeweils zur
Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind. Die Batterieeinheiten können damit abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start- Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheit führt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen rückwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die rückwärtssperrfähigen Schalter zur Zu- und Wegschaltung einer selektiv zuschaltbaren Batterieeinheit zum
Niederspannungsteilnetz. Diese Schalter besitzen die Eigenschaft, dass sie im Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und im Zustand„aus" eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können.
Bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt b) werden bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit im Schritt c) werden ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter zur Serienschaltung der selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung der Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt a) zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit nach der Zuschaltung der zweiten,
zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem Niederspannungsteilnetz im Schritt b) und vor der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz im Schritt c), bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei stark abweichenden Ladezuständen der beiden Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit erfolgt, welche den höheren Ladezustand aufweist bzw. die höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus beiden Batterieeinheiten versorgt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit bzw. die erste, abgeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zugeschaltete Batterieeinheit, bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet. Besonders bevorzugt sind die erste und die zweite Batterieeinheit, bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet und benachbart. Falls ein Wechsel auf eine nicht direkt benachbarte Batterieeinheit erforderlich ist, werden mehrere Umschaltvorgänge in kurzer Abfolge nacheinander durchgeführt, sodass in jedem Umschaltvorgang benachbarte Batterieeinheiten involviert sind.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen Kondensator aufweist. Der Kondensator ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Niederspannung bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit weiter zu stabilisieren. Die
Dimensionierung des Kondensators ist dabei bevorzugt gemäß
"^max ^ umschalt
AU max gewählt, wobei lmax der maximale Bordnetzstrom ist, der während Umschaltvorgängen im Niederspannungsteilnetz fließen soll, tumschait die Zeitdauer, während der keine Batterieeinheit für die Versorgung bereitsteht, und AUmax die maximal zulässige Veränderung der
Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs. Der Kondensator eignet sich außerdem bevorzugt auch als ein Energiespeicher, welcher eingerichtet ist, zumindest kurzfristig die Niederspannung zu erzeugen und an das Niederspannungsteilnetz auszugeben.
Der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz kann weiter vorteilhaft verringert werden, wenn die Umschaltung zu solchen Zeitpunkten erfolgt, bei denen der Bordnetzstrom möglichst gering ist. Dieses kann beispielsweise durch Auswertung eines Signals für den Bordnetzstrom und davon abhängiger Ansteuerung der Schalter der Koppeleinheit erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine Synchronisierung mit einem
Verbrauchermanagementsystem erfolgen, um Hochleistungsverbraucher, wie z.B.
Heizsysteme, kurzzeitig ohne Komforteinbußen abzuschalten, um den Umschaltvorgang der Batterieeinheiten ohne nennenswerten Spannungseinbruch zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung einer Einrichtung zum Betrieb eines Bordnetzes oder um ein Modul zur Implementierung eines
Batteriemanagementsystems eines Fahrzeugs handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, 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 Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt, welches Einrichtungen aufweist, um eines der beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes durchzuführen. Insbesondere weist das Batteriemanagementsystem eine Einheit auf, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit so anzusteuern, dass Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz zugeschaltet und weggeschaltet werden. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Bordnetz angegeben, auf welchem eines der beschriebenen Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell und bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel miteinander zu koppeln. Das Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.
Insbesondere kann das Bordnetz bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp- Systeme aufweisen. Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und das Batteriemanagementsystem eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die einen 48-Volt-Generator und einen 14-Volt- Starter aufweisen, wobei der 14-Volt-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die ein sogenanntes Boost-Rekuperationssystem (BRS) aufweisen. Bei Boost- Rekuperationssystemen (BRS) wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei
Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das BRS erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im Hochspannungsteilnetz unterstützt entweder den Verbrennungsmotor, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder es wird bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken sogar für rein elektrisches Fahren eingesetzt, z.B. bei einem elektrischen Ein- und Ausparken. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem
Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz.
Vorteile der Erfindung Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem für Fahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, beispielsweise mit einem 48-Volt- Generator, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperationssystem mit
unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender DC/DC-Wandler entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie. Außerdem ist kein separater Starter im Niederspannungsteilnetz nötig. Das Boost-Rekuperationssystem kann bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen BRS-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.
Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Betriebsstrategie, welche die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei ermöglicht.
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,
Figur 5 eine Koppeleinheit,
Figur 6 die Koppeleinheit aus Figur 5 in einem beispielhaften Betriebszustand, und
Figur 7 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter.
Figur 1 zeigt ein Bordnetz 1 nach dem Stand der Technik. Beim Starten eines
Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz 1 von einer Starterbatterie 10 eine Spannung einem Starter 1 1 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter 12 geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13 an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
Figur 2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC- Wandler 22, der eine Koppeleinheit zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers, sein.
Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-Volt-Bordnetz mit einem elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, in
Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs eine 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 auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Lastwiderstände 25 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, der eingerichtet ist, einen Schalter 27 zu schließen um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, eine Nennspannung in Höhe von 12 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind weitere Verbraucher 29 angeordnet, die mit der Niederspannung betrieben werden. Der Energiespeicher 28 umfasst beispielsweise galvanische Zellen, insbesondere solche einer Blei-Säurebatterie, welche in vollgeladenem Zustand (state of Charge, SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 Volt aufweist. Bei entladener Batterie (state of Charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 Volt auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 Volt und 15 Volt.
Der 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 betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 Volt, zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche von der eingangsseitig empfangenen Spannung verschieden ist, insbesondere eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche kleiner ist als die eingangsseitig empfangene Spannung, beispielsweise 12 V oder 14 V.
Figur 3 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 , welche durch einen bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 31 verbunden sind. Das dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in Figur 2 dargestellte Bordnetz ausgebildet, wobei der Generator im Hochspannungsteilnetz eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den Teilbordnetzen 20, 21 ein DC/DC- Wandler 31 zum Einsatz kommt, der potentialtrennend ausgeführt ist. In beiden Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, 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. 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 Lithium-Ionen-Batterie 24 ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des
Niederspannungsfahrzeugs erfolgt dann über die Niederspannungsschnittstelle und den DC/DC-Wandler 31 .
Figur 4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem
Niederspannungsteilnetz 21 , beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Fahrzeugen mit einem 48-Volt-Generator, einem 14-Volt- Starter und einem Boost-Rekuperationssystem. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen Starter-Generator 30, welcher einen
Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) starten kann und von diesem betreibbar ist. Der Starter-Generator 30 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Lastwiderstände 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der
Hochspannung betrieben werden.
Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die
Betriebsspannung von 48 Volt dem Hochspannungsteilnetz auszugeben. Die Lithium-Ionen- Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 Volt bevorzugt eine Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können. Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n auf, wobei den
Batterieeinheiten 41 mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten
Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt.
Den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind Einzelspannungsabgriffe 80-1 1 , 80-12, 80-21 , 80-22, ...80-n1 , 80-n2 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgabe, zumindest eine der Batterieeinheiten 41 der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetzt 21 zu dessen Betrieb oder
Unterstützung durchzuschalten.
Die Koppeleinheit 33 koppelt das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem
Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V. Der Aufbau und die
Funktionsweise der Koppeleinheit 33 werden mit Bezug zu den Figuren 5 und 6 beschrieben.
Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer
Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lithium-Ionen-Batterie 40 die Versorgung von Ruhestromverbrauchern, welche als Verbraucher 25, 29 dargestellt sind, bei abgestelltem Fahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Fahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie während der Standzeit die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.
Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Hochleistungsspeicher 28 oder Pufferspeicher angeordnet, der kurzzeitig sehr hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist. Der Hochleistungsspeicher 28 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41 weiter vermieden werden. Wird als
Hochleistungsspeicher 28 ein Kondensator eingesetzt, so ist dessen Dimensionierung bevorzugt: AU wobei Lax der maximale Bordnetzstrom ist, der während der Umschaltvorgänge im I fließen kann, tumschait die Zeitdauer, während welcher keine Batterieeinheit 41 für die
Versorgung bereit steht, und AUmax die maximal zulässige Veränderung der
Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs.
Das in Figur 4 dargestellte Bordnetz kann weiterhin ein Batteriemanagementsystem (BMS) umfassen (nicht dargestellt). Das Batteriemanagementsystem umfasst ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie 40 bzw. der Batterieeinheiten 41 zu erfassen, zu verarbeiten und hieraus beispielsweise Aussagen über den
Gesundheitszustand der Batterie 40 zu treffen. Das Batteriemanagementsystem umfasst dabei eine Einheit, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit 33 so zu regeln, dass diese die Batterieeinheiten 41 selektiv im Niederspannungsteilnetz 21 zuschalten kann.
Figur 5 zeigt eine Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45, welche die Eigenschaft aufweisen, dass sie in einem Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und in einem zweiten Zustand„aus" eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einfachen Halbleiterschaltern, wie z.B. IGBT-Schaltern, da diese in Rückwärtsrichtung aufgrund ihrer intrinsischen Diode keine Sperrspannung aufnehmen können. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromflussrichtung sind in Figur 5 zwei verschiedene Schaltertypen eingezeichnet, nämlich RSSJ 45 und RSS_r 44, die sich in ihrer Fertigung nicht unterscheiden, sondern lediglich mit unterschiedlicher Polarität verbaut sind. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 wird mit Bezug zu Figur 7 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 sind die Einzelabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 jeweils einem der unterschiedlichen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 und RSS_r 44 zugeführt. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 mit dem Pluspol 52 verschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind
ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf den Minuspol 51 geschaltet. Die Koppeleinheit 33 umfasst vorwärtssperrfähige Schalter 90, welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter 90 wird mit Bezug zu Figur 7 beschrieben. In der
Koppeleinheit 33 werden die Einzelabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 verbinden die Batterieeinheiten 41 seriell miteinander, falls die Schalter 90 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41 ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 angeordnet, sodass sich bei n Batterieeinheiten 41 n-1 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , VSS 90-2, ...VSS 90-n-1 vorgesehen sind.
Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des
Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41 zugeschaltet ist bzw. sind. In keinem der Betriebszustände weist eines der Potentiale jedoch einen Betrag auf, der eine Spannungsgrenze in Höhe der Summe der Hochspannung und der
Niederspannung überschreitet, d.h. bei einem 48-Volt-Netz und einem 14-Volt-Netz in etwa 62 Volt. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des
Niederspannungsteilnetzes auftreten.
Der Betrieb des Starter-Generators 30 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes. In der durchgeschalteten
Batterieeinheit 41 , die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine
Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Starter-Generator 30 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (Motorbetrieb). Solange die zulässigen Grenzen der Batteriezellen, z.B. der maximal zulässige Entladestrom der Zellen, nicht überschritten werden, können diese Vorgänge unabhängig voneinander betrachtet werden. Damit das Niederspannungsteilnetz 21 sicher versorgt wird, wird immer zumindest eine der Batterieeinheiten 41 über die zugehörigen Schalter 44, 45, 90 der Koppeleinrichtung 33 zugeschaltet. Aufgrund der mehrfach redundanten Versorgung des
Niederspannungsteilnetzes 21 kann mit der vorgestellten Architektur ein System aufgebaut werden, welches eine sehr hohe Verfügbarkeit der elektrischen Energie im
Niederspannungsteilnetz aufweist. Figur 6 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus den
Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j und den geöffneten vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , welcher sich zwischen den Batterieeinheiten 44-1 , 44-2 befindet. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die erste Batterieeinheit 44-1 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS r 44-j zum Minuspol 51 . Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-j über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51. Da der Schalter 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41 -1 und die zweite Batterieeinheit 41 -2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Der Pluspol der ersten Batterieeinheit 41 -1 ist elektrisch hochohmig geschaltet.
Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 schlägt die
Erfindung ein Umschaltverfahren vor, bei welchem in einem ersten Schritt a) die Leitung zwischen der ersten zugeschalteten Batterieeinheit, hier beispielhaft die Batterieeinheit 41 -1 , und der zweiten zugeschalteten Batterieeinheit, hier beispielhaft die Batterieeinheit 41 -2, mittels des in der Leitung angeordneten vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90-1 getrennt wird. Nach dem Schritt a) hat die Batterie 40 eine Gesamtspannung von 36 Volt, welche dem Hochspannungsteilnetz 20 bereitgestellt wird, sodass dem Hochspannungsteilnetz 20 ein bidirektionaler Energiefluss ermöglicht ist. Die weiteren Batterieeinheiten 41 -2, ... 41 -n bilden dabei eine Serienschaltung von n-1 Batterieeinheiten.
In einem zweiten Schritt b) erfolgt daraufhin, mit einer Verzögerung, deren Dauer im
Wesentlichen von Eigenschaften der eingesetzten Schalter 44, 45, 90 abhängt, die
Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit 41 -2 zu dem
Niederspannungsteilnetz 21 . Figur 6 zeigt den Zustand nach Schritt b) in dem die beiden Batterieeinheiten 41 -2 und 41 -1 parallel geschaltet sind. Die Verzögerung zwischen dem Aus- und Einschalten ist erforderlich, da sonst die Spannung im Niederspannungsteilnetz 21 während der Übergangsphase in allen Schaltvorgängen auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde, in dem in Figur 6 dargestellten Fall auf die Summe der Spannungen der Teilbatterien 41 -1 und 41 -2, also auf den doppelten Wert. Wenn die Koppeleinrichtung 33 mit einer Verzögerungszeit geschaltet wird, bedeutet dies aber, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 kurzzeitig unterbrochen wird. Um einen unzulässigen Spannungseinbruch zu vermeiden, kann gemäß einigen Ausführungsformen eine Pufferung mittels des Kondensators 28 vorgenommen werden, wie mit Bezug zu Figur 4 beschrieben. In einem dritten Schritt c) erfolgt, falls ein Wechsel der dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41 vorgesehen ist, die Abschaltung der ersten,
zugeschalteten Batterieeinheit 41 -1 von dem Niederspannungsteilnetz 21. In einem vierten Schritt d) wird die Verbindung der Leitung zwischen der ersten, vom
Niederspannungsteilnetz 21 abgeschalteten Batterieeinheit 41 -1 und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41 -2 über den
vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 wieder hergestellt. Nach der Wiederherstellung der Verbindung ist die Kommutierung von der ersten auf die zweite Batterieeinheit
abgeschlossen, ohne dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 unterbrochen wurde.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im Schritt a) sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter 90 ausgeschaltet werden. Der Starter-Generator 30 speist in der Umschaltphase keine Energie in das Hochspannungsteilnetz und arbeitet auch nicht im Boostbetrieb. Mit kurzer Verzögerung, deren Dauer von Eigenschaften der eingesetzten Schalter abhängt, werden die rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 der zugeordneten zuzuschaltenden Batterieeinheit oder Batterieeinheiten 41 eingeschaltet. Somit kann die Umschaltung auch zwischen nicht direkt benachbarten Batterieeinheiten 41 erfolgen. Figur 7 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern 90. Die Durchlassrichtung ist dabei mit I angegeben. Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET oder Bipolartransistor 101 und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In Figur 8 ist ein
MOSFET 101 dargestellt, welcher eine mit dargestellte, intrinsische Diode 102 aufweist. Die zu dem MOSFET 101 in Serie geschaltete Diode 103 ist entgegen der Richtung der intrinsischen Diode 102 des MOSFET 101 gepolt. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSS_r 44 lässt den Strom in Durchlassrichtung I durch und sperrt in entgegengesetzter Richtung. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSSJ 45 entspricht dem RSS_r 44, wird lediglich mit der umgekehrten Polarität verbaut, so dass die Durchlass- und Sperrrichtungen vertauscht sind. Ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 umfasst einen MOSFET, IGBT oder Bipolartransistor 101 , wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist. Die Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und VSS 90 zeichnen sich insbesondere auch durch eine kaum merkliche Verzögerung bei den Schaltvorgängen aus, d. h. erlauben eine sehr kurze Umschaltdauer. Über eine geeignete Ansteuerschaltung kann die Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten der Schalter sehr genau eingestellt werden.
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 . Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes (1 ) für ein Kraftfahrzeug, wobei das
Bordnetz (1 ) ein Niederspannungsteilnetz (21 ) für zumindest einen
Niederspannungsverbraucher (29) und ein Hochspannungsteilnetz (20) für zumindest einen Hochspannungsverbraucher (25) und einen Starter-Generator (30) aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz (20) mit dem Niederspannungsteilnetz (21 ) über eine Koppeleinheit (33) verbunden ist, 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) auszugeben, und die zumindest zwei
Batterieeinheiten (41 ) mit Einzelspannungsabgriffen (80) aufweist, die an die
Koppeleinheit (33) geführt sind, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die Batterieeinheiten (41 ) dem Niederspannungsteilnetz (21 ) selektiv zuzuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel einer ersten, dem
Niederspannungsteilnetz (21 ) zugeschalteten Batterieeinheit (41 ) auf eine zweite, dem Niederspannungsteilnetz (21 ) zuzuschaltende Batterieeinheit (41 ) in folgenden Schritten erfolgt: a) Trennen einer Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41 ); b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41 ) zu dem
Niederspannungsteilnetz (21 ); c) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41 ) von dem
Niederspannungsteilnetz (21 ); d) Verbinden der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz (21 ) abgeschalteten Batterieeinheit (41 ) und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz (21 ) zugeschalteten Batterieeinheit (41 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (41 ) jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) rückwärtssperrfähige Schalter (44, 45) aufweist und bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41 ) im Schritt b) zumindest ein rückwärts sperrfähiger Schalter (44, 45) betätigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) rückwärtssperrfähige Schalter (44, 45) aufweist und bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41 ) im Schritt c) zumindest ein rückwärts sperrfähiger Schalter (44, 45) betätigt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (33) vorwärtssperrfähige Schalter (90) aufweist und bei der Trennung der Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit (41 ) im Schritt a) zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter (90) betätigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zugeschaltete Batterieeinheit (41 ) und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit (41 ) nach der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden
Batterieeinheit (41 ) zu dem Niederspannungsteilnetz (21 ) im Schritt b) und vor der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit (41 ) von dem
Niederspannungsteilnetz (21 ) im Schritt c), bezüglich des Niederspannungsteilnetzes (21 ) parallel geschaltet sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zugeschaltete Batterieeinheit (41 ) und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit (41 ), bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des
Hochspannungsteilnetzes (20) seriell geschaltet und benachbart sind.
8. Batteriemanagementsystem zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Einheit zur Steuerung der Koppeleinheit (33) zur Schaltung der Batterieeinheiten (41 ). Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
Bordnetz (1 ), auf welchem eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt werden kann, wobei die Koppeleinheit (33) eingerichtet ist, die
Batterieeinheiten (41 ) bezüglich des Hochspannungsteilnetzes (20) seriell und bezüglich des Niederspannungsteilnetzes (21 ) parallel miteinander zu koppeln. 1. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Bordnetz (1 ) nach Anspruch 10.
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