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