WO2018065597A1 - Batterieeinheit und verfahren zum betrieb einer batterieeinheit - Google Patents

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WO2018065597A1
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voltage
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Matthias Gernsbeck
Michael STEIL
Andreas Lemke
Jens KOERNER
Frank Stiegler
Karl KLOESS
Bernd Heppner
Manuel Hohenauer
Steffen Adolf
Klaus-Juergen Schuler
Henryk WEIHS
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a battery unit for use on a vehicle electrical system of a motor vehicle, which comprises a battery module and a
  • the invention also relates to a method for operating a battery unit according to the invention on a vehicle electrical system of a motor vehicle.
  • lead-acid batteries are generally used as energy stores in a 12V vehicle electrical system.
  • a lead-acid battery which has a positive pole and a negative pole, serves inter alia as a starter battery for starting the
  • Acid battery is used by the motor vehicle as the basis for functions of an energy management and can therefore massively adversely affect the vehicle behavior and the availability of incorrect detection. Safety-relevant functionalities of the motor vehicle can also be affected.
  • a battery sensor connected to the lead acid battery will detect the condition of the lead acid battery.
  • the battery sensor measures a current flowing through the lead-acid battery and a voltage applied to the terminals of the lead-acid battery Voltage and determines in particular the state of charge and the aging of the lead-acid battery.
  • a lithium-ion battery behaves differently than a lead-acid battery due to the different technology. These include, inter alia, a lower internal resistance, another quiescent voltage characteristic and, in particular, another one
  • a lithium-ion battery module which has a housing whose dimensions correspond to those of a housing of a conventional lead-acid battery.
  • the lithium-ion battery module also includes one or more DC-DC converter, whereby several different output voltages are available at different poles of the lithium-ion battery module.
  • the battery unit comprises a battery module and a DC-DC converter, which one with the battery module having connected first terminal and a connectable to the electrical system of the motor vehicle second port.
  • the battery unit is used in particular to replace a failed lead-acid battery as a starter battery for an internal combustion engine of the motor vehicle.
  • the DC-DC converter of the battery unit allows a bidirectional current flow between the first terminal and the second terminal and a regulation of a first voltage at the first terminal and a second voltage at the second terminal.
  • the said DC-DC converter is designed for this purpose, for example, as a split-Pi converter having a plurality of electronic switches.
  • the battery unit according to the invention comprises a control system for controlling the DC-DC converter.
  • Control system for controlling the switches of the designed as a split-pi converter DC-DC converter.
  • the battery module of the battery unit on a plurality of battery cells which are designed as lithium-ion cells.
  • lithium-ion cells have a longer life, improved cycle life, higher energy density, and higher compared to cells of lead-acid batteries
  • the type of battery cells is not limited to lithium-ion cells. Basically, all types of secondary cells are suitable, which have a different, in particular improved behavior as lead-acid battery cells. For example, lithium-sulfur cells, lithium-air cells, supercapacitors (supercaps, SC), lithium capacitors and battery cells are suitable
  • the battery unit has a bypass switch, by means of which the first connection and the second connection of the DC-DC converter are directly connectable.
  • the DC-DC converter can be bridged by closing the bypass switch.
  • the battery unit has a rectifier.
  • the rectifier serves as a charger and allows charging of the battery module from an AC mains.
  • the rectifier can be designed, for example, single-phase or three-phase and thus allow a charging of the battery module from a three-phase AC network.
  • a method for operating a battery unit according to the invention on a vehicle electrical system of a motor vehicle is also proposed.
  • the battery unit is installed in the motor vehicle, and the second connection of the
  • DC converter of the battery unit is connected to the electrical system of
  • the state of the battery module is dependent in particular on the state of charge (SOC).
  • SOC state of charge
  • OCV open circuit voltage
  • the state of the battery module is preferably of the
  • Control system of the battery unit determines which is also provided for driving the DC-DC converter.
  • the control system is, for example, connected by means of corresponding sensors to the battery module.
  • a relationship between a state of a lead-acid battery and an output voltage of the lead-acid battery is recorded.
  • Output voltage of the conventional lead-acid battery in the same state corresponds.
  • a current flows from the battery module through the DC-DC converter to the electrical system of the motor vehicle and the battery module is discharged.
  • the battery module has a certain state.
  • the first voltage at the first terminal is regulated as a function of the state of the battery module. In this case, therefore, a current flows from the electrical system of the motor vehicle through the DC-DC converter to the battery module and the battery module is charged.
  • a battery unit according to the invention and a method according to the invention are advantageously used on a vehicle electrical system of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle with an internal combustion engine and in particular for replacement of a conventional lead-acid battery.
  • a vehicle electrical system of a motor vehicle in particular of a motor vehicle with an internal combustion engine and in particular for replacement of a conventional lead-acid battery.
  • other uses for example on electrical systems of other motor vehicles such as hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles and
  • the invention allows replacement of a conventional 12V lead-acid battery with a 12V lithium-ion battery while ensuring all
  • the DC-DC converter allows the use of a lithium-ion battery in motor vehicles, which are tuned to the properties of a lead-acid battery.
  • a battery sensor provided in the motor vehicle can be maintained.
  • DC-DC converter ensures that the behavior of the lithium-ion battery at the pole terminals corresponds to the behavior of a lead-acid battery. This ensures that the battery condition detection of the motor vehicle works correctly and the functionalities in the motor vehicle are maintained.
  • Show it: 1 shows a battery unit according to a first embodiment of an electrical system of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a battery unit according to a second embodiment of a
  • FIG. 3 shows a battery unit according to a third embodiment of a
  • Figure 4 shows a battery unit according to a fourth embodiment of a
  • Figure 5 shows a battery unit according to a fifth embodiment of a
  • FIG. 6 is a graphic representation of a relationship of FIG
  • FIG. 1 shows a battery unit 10 according to a first embodiment on a vehicle electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the electrical system 50 has a present
  • the battery unit 10 includes a positive pole 12, which is connected to the electrical system 50.
  • the battery unit 10 also includes a negative pole 11, which is connected to a battery sensor 52.
  • the battery sensor 52 is connected to the vehicle electrical system 50 and to the ground line 55. Furthermore, the battery sensor 52 is connected by means of a bus interface 53 to a higher-level control device of the vehicle.
  • the battery sensor 52 measures, inter alia, a voltage applied between the positive pole 12 and the negative pole 11 of the battery unit 10, which corresponds to a voltage between the vehicle electrical system 50 and the ground line 55. Also, the battery sensor 52 measures a current flowing from the ground line 55 to the negative pole 11, which current flows through the
  • the battery sensor 52 determines a state, in particular a state of charge, of
  • Battery module 20 of the battery unit 10 The battery sensor 52 transmits the determined state of the battery module 20 of the battery unit 10 to the higher-level control unit of the vehicle.
  • the battery unit 10 comprises a battery module 20, which several
  • Battery cells which are designed as lithium-ion cells.
  • the battery cells are connected in series, for example, and deliver one
  • the battery module 20 has a negative terminal 21 and a positive terminal 22. Between the terminals 21, 22 of the battery module 20 is supplied by the said battery cells voltage.
  • the battery unit 10 further includes a DC-DC converter 30.
  • the DC-DC converter 30 has a first terminal 31 which is connected to the positive terminal 22 of the battery module 20.
  • the DC-DC converter 30 also has a second terminal 32 which is connected to the positive pole 12 of the battery unit 10. Furthermore, the DC-DC converter 30 has a ground terminal 33, which is connected to the negative pole 11 of the battery unit 10.
  • the DC-DC converter 30 is presently designed as a split-Pi converter, which has a plurality of electronic switches, not shown here.
  • the DC-DC converter 30 allows a bidirectional current flow between the first terminal 31 and the second terminal 32. Also, the DC-DC converter 30 allows a regulation of a first voltage Ul between the first terminal 31 and the ground terminal 33, and a regulation of a second voltage U2 between the second terminal 32 and the ground terminal 33.
  • the DC voltage converter 30 can be controlled by appropriate control of the switches of the DC-DC converter 30.
  • the battery unit 10 therefore comprises a control system 40, which serves in particular for controlling the switches of the DC-DC converter 30.
  • the control system 40 and the DC-DC converter 30 are connected to each other for example via a bus line, not shown here.
  • the battery module 20 the DC-DC converter 30 and the
  • Control system 40 of the battery unit 10 are in the present case designed as separate elements and arranged as a structural unit in a common housing.
  • FIG. 2 shows a battery unit 10 according to a second embodiment on a vehicle electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the battery unit 10 according to the second embodiment is substantially similar to that shown in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a battery unit 10 according to a third embodiment on a vehicle electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the battery unit 10 according to the third embodiment is largely similar to that shown in FIG.
  • Battery unit 10 are presently integrated and form a common
  • the battery module 20 is designed as a separate element.
  • FIG. 4 shows a battery unit 10 according to a fourth embodiment on a vehicle electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the battery unit 10 according to the fourth embodiment is substantially similar to that shown in FIG. 4
  • the battery unit 10 additionally has a bypass switch 45 which is connected between the first terminal 31 and the second terminal 32 of the
  • DC voltage converter 30 is arranged.
  • the bypass switch 45 By means of the bypass switch 45, the first terminal 31 and the second terminal 32 are directly connectable.
  • FIG. 5 shows a battery unit 10 according to a fifth embodiment on a vehicle electrical system 50 of a motor vehicle.
  • the battery unit 10 according to the fifth embodiment is substantially similar to that shown in FIG. 5
  • the battery unit 10 additionally has a rectifier 35, which in the
  • the rectifier 35 serves as
  • the rectifier 35 has a three-phase design and thus allows charging of the battery module 20 from a three-phase three-phase system.
  • the rectifier 35 may alternatively also be single-phase and allow charging of the battery module 20 from a single-phase AC network.
  • FIG. 6 shows a graphic representation of a relationship of FIG
  • the abscissa indicates the state of charge of the battery module 20 of the battery unit 10 in percent.
  • the ordinate indicates the voltage in volts.
  • the one curve shown shows the dependence of the first voltage Ul, which is applied between the first terminal 31 and the ground terminal 33 of the DC-DC converter 30, from the state of charge of the battery module 20.
  • the first voltage Ul corresponds to the voltage of the battery module 20, which between the positive Terminal 22 and the negative terminal 21 is present.
  • the other curve shown shows the dependence of the second voltage U2, which is applied between the second terminal 32 and the ground terminal 33 of the DC-DC converter 30, of the state of charge of the battery module 20.
  • the second voltage U2 corresponds to a voltage which between the positive pole 12 and the negative pole 11 of the battery unit 10 is applied.
  • the second voltage U2 also corresponds to an output voltage UA of a conventional lead-acid battery as a function of the state of charge of the lead-acid battery.
  • the second voltage U2 is controlled according to the illustrated curve.
  • the first voltage Ul is controlled according to the illustrated curve.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (10) zur Verwendung an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul (20) und einen Gleichspannungswandler (30), welcher einen mit dem Batteriemodul (20) verbundenen ersten Anschluss (31) und einen mit dem Bordnetz (50) verbindbaren zweiten Anschluss (32) aufweist. Der Gleichspannungswandler (30) gestattet dabei einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss (31) und dem zweiten Anschluss (32) sowie eine Regelung einer ersten Spannung (U1) an dem ersten Anschluss (31) und einer zweiten Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32). Die Batterieeinheit (10) umfasst auchein Steuerungssystem (40) zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (30). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit (10) an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, wobei bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss(31) zu dem zweiten Anschluss (32) die zweite Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32) in Abhängigkeit von einem Zustand des Batteriemoduls (20) geregelt wird.

Description

Batterieeinheit und Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welche ein Batteriemodul und einen
Gleichspannungswandler, welcher einen mit dem Batteriemodul verbundenen ersten Anschluss und einen mit dem Bordnetz verbindbaren zweiten Anschluss aufweist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
In konventionellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden in der Regel Blei-Säure-Batterien als Energiespeicher in einem 12V-Bordnetz eingesetzt. Eine solche Blei-Säure-Batterie, welche einen positiven Pol und einen negativen Pol aufweist, dient unter anderem als Starterbatterie zum Starten des
Verbrennungsmotors. Das Bordnetz und dessen Funktionalitäten sind auf die
Eigenschaften der Blei-Säure-Batterie, beispielsweise Innenwiderstand, Lade- Entladekennlinie sowie Leerlaufspannung, abgestimmt.
Wichtig ist hierbei eine korrekte Erkennung des Zustands der Blei-Säure-Batterie in dem Kraftfahrzeug. Der Zustand, insbesondere der Ladezustand, der Blei-
Säure- Batterie wird von dem Kraftfahrzeug als Basis für Funktionen eines Energiemanagements genutzt und kann daher das Fahrzeugverhalten sowie die Verfügbarkeit bei einer fehlerhaften Erkennung massiv negativ beeinflussen. Auch sicherheitsrelevante Funktionalitäten des Kraftfahrzeugs können davon betroffen sein.
Typischerweise übernimmt ein Batteriesensor, welcher an die Blei-Säure Batterie angeschlossen ist, die Erkennung des Zustands der Blei-Säure-Batterie. Der Batteriesensor misst dabei unter anderem einen durch die Blei-Säure-Batterie fließenden Strom sowie eine an den Polen der Blei-Säure-Batterie anliegende Spannung und ermittelt daraus insbesondere den Ladezustand und die Alterung der Blei-Säure Batterie.
Bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie ist es vorteilhaft, diese durch eine Lithium- Ionen-Batterie zu ersetzen. Eine Lithium-Ionen-Batterie zeigt jedoch aufgrund der unterschiedlichen Technologie ein anderes Verhalten als eine Blei-Säure- Batterie. Hierzu zählen unter anderem ein niedrigerer Innenwiderstand, eine andere Ruhespannunsgskennlinie und insbesondere ein anderer
Zusammenhang zwischen Ladezustand und Ausgangsspannung. Beispielsweise wäre ein von dem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Batteriesensor ermittelter Ladezustand somit fehlerhaft.
Eine Lithium-Ionen-Batterie müsste demnach bei einem Austausch nicht nur die konventionelle Blei-Säure-Batterie sondern auch den Batteriesensor und dessen Funktionalität ersetzen. Aufgrund einer hohen Variantenanzahl der am Markt befindlichen Kraftfahrzeuge, sowie Blei-Säure-Batterien und Batteriesensoren scheint dies nicht praktikabel.
Es ist wünschenswert, insbesondere bei Ausfall einer Blei-Säure Batterie in einem Kraftfahrzeug diese durch eine Lithium-Ionen-Batterie zu ersetzen. Dabei sollte der bereits in dem Kraftfahrzeug vorhandene Batteriesensor auch weiter verwendet werden.
Aus der US 2015/0037616 AI ist ein Lithium-Ionen-Batteriemodul bekannt, welches ein Gehäuse aufweist, dessen Abmessungen denen eines Gehäuses einer konventionellen Blei-Säure-Batterie entsprechen. Das Lithium-Ionen- Batteriemodul umfasst dabei auch einen oder mehrere Gleichspannungswandler, wodurch mehrere verschiedene Ausgangsspannungen an verschiedenen Polen des Lithium-Ionen-Batteriemoduls verfügbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Batterieeinheit zur Verwendung an einem Bordnetz eines
Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit umfasst ein Batteriemodul und einen Gleichspannungswandler, welcher einen mit dem Batteriemodul verbundenen ersten Anschluss und einen mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbindbaren zweiten Anschluss aufweist. Die Batterieeinheit dient insbesondere zum Ersatz einer ausgefallenen Blei-Säure Batterie als Starterbatterie für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs.
Erfindungsgemäß gestattet der Gleichspannungswandler der Batterieeinheit dabei einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss sowie eine Regelung einer ersten Spannung an dem ersten Anschluss und einer zweiten Spannung an dem zweiten Anschluss. Der besagte Gleichspannungswandler ist dazu beispielsweise als Split-Pi-Wandler ausgeführt, welcher mehrere elektronische Schalter aufweist. Durch entsprechende
Ansteuerung der Schalter des Gleichspannungswandlers sind die Spannungen an den Anschlüssen des Gleichspannungswandlers regelbar.
Ferner umfasst die Batterieeinheit erfindungsgemäß ein Steuerungssystem zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers. Insbesondere dient das
Steuerungssystem zur Ansteuerung der Schalter des als Split-Pi-Wandler ausgeführten Gleichspannungswandlers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul der Batterieeinheit mehrere Batteriezellen auf, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Lithium-Ionen-Zellen weisen im Vergleich zu Zellen von Blei- Säure Batterien insbesondere eine verlängerte Lebensdauer, eine verbesserte Zyklenfestigkeit, eine höhere Energiedichte und auch eine höhere
Leistungsdichte auf.
Die Art der Batteriezellen ist nicht auf Lithium-Ionen Zellen limitiert. Grundsätzlich sind alle Arten von Sekundärzellen geeignet, welche ein anderes, insbesondere verbessertes Verhalten als Blei-Säure-Batteriezellen aufweisen. Beispielsweise eignen sich Lithium-Schwefel-Zellen, Lithium-Luft-Zellen, Superkondensatoren (Supercaps, SC), Lithium-Kondensatoren sowie Batteriezellen mit
Festkörperelektrolyten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterieeinheit einen Umgehungsschalter auf, mittels welchem der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Gleichspannungswandlers direkt verbindbar sind.
Beispielsweise im Fall eines Defekts des Gleichspannungswandlers oder im Falle eines verhältnismäßig hohen Stroms kann der Gleichspannungswandler durch Schließen des Umgehungsschalters überbrückt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterieeinheit einen Gleichrichter auf. Der Gleichrichter dient dabei als Ladegerät und gestattet ein Aufladen des Batteriemoduls aus einem Wechselstromnetz. Der Gleichrichter kann beispielsweise einphasig oder auch dreiphasig ausgeführt sein und somit ein Aufladen des Batteriemoduls aus einem dreiphasigen Drehstromnetz gestatten.
Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Batterieeinheit ist dabei in das Kraftfahrzeug eingebaut, und der zweite Anschluss des
Gleichspannungswandlers der Batterieeinheit ist mit dem Bordnetz des
Kraftfahrzeugs verbunden.
Erfindungsgemäß wird bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers zu dem zweiten Anschluss des
Gleichspannungswandlers die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss in Abhängigkeit von einem Zustand des Batteriemoduls geregelt. In diesem Fall fließt also ein Strom von dem Batteriemodul durch den Gleichspannungswandler zu dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und das Batteriemodul wird entladen.
Der Zustand des Batteriemoduls ist dabei insbesondere von dem Ladezustand (state of Charge, SOC) abhängig. Der Zustand des Batteriemoduls kann auch von weiteren Größen abhängig sein, unter anderem von der Leerlaufspannung (open circuit voltage, OCV) oder dem Strom.
Der Zustand des Batteriemoduls wird dabei vorzugsweise von dem
Steuerungssystem der Batterieeinheit ermittelt, welches auch zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers vorgesehen ist. Das Steuerungssystem ist dazu beispielsweise mittels entsprechender Sensoren mit dem Batteriemodul verbunden. Vorzugsweise wird verfahrensvorbereitend ein Zusammenhang zwischen einem Zustand einer Blei-Säure-Batterie und einer Ausgangsspannung der Blei-Säure- Batterie aufgenommen. Bevorzugt wird der besagte Zusammenhang zwischen dem Zustand und der Ausgangsspannung der Blei-Säure-Batterie in dem
Steuerungssystem der Batterieeinheit abgelegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einem
Stromfluss von dem ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers zu dem zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss derart geregelt, dass die zweite Spannung der
Ausgangsspannung der konventionellen Blei-Säure-Batterie bei gleichem Zustand entspricht. In diesem Fall fließt, wie bereits erwähnt, ein Strom von dem Batteriemodul durch den Gleichspannungswandler zu dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und das Batteriemodul wird entladen. Das Batteriemodul weist dabei einen bestimmten Zustand auf. Die zweite Spannung an dem zweiten Anschluss des
Gleichspannungswandlers sowie an dem Bordnetz entspricht dabei der
Ausgangsspannung, welche die Blei-Säure-Batterie bei dem gleichen Zustand hätte.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einem Stromfluss von dem zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers zu dem ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers die erste Spannung an dem ersten Anschluss in Abhängigkeit von dem Zustand des Batteriemoduls geregelt. In diesem Fall fließt also ein Strom von dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs durch den Gleichspannungswandler zu dem Batteriemodul und das Batteriemodul wird geladen.
Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren finden vorteilhaft Verwendung an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und insbesondere zum Ersatz einer konventionellen Blei-Säure-Batterie. Aber auch andere Verwendungen, beispielsweise an Bordnetzen anderer Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Hybrid-Fahrzeugen, Plugin-Hybridfahrzeugen sowie
Elektrofahrzeugen sind denkbar.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht einen Austausch einer konventionellen 12V Blei-Säure- Batterie durch eine 12V Lithium-Ionen-Batterie bei Sicherstellung aller
Funktionalitäten, insbesondere des Energiemanagements, in dem Kraftfahrzeug. Der Gleichspannungswandler ermöglicht dabei den Einsatz einer Lithium-Ionen- Batterie in Kraftfahrzeugen, die auf die Eigenschaften einer Blei-Säure-Batterie abgestimmt sind. Ein in dem Kraftfahrzeug vorhandener Batteriesensor kann beibehalten werden. Durch die entsprechende Ansteuerung des
Gleichspannungswandlers wird sichergestellt, dass das Verhalten der Lithium- Ionen-Batterie an den Polklemmen dem Verhalten einer Blei-Säure Batterie entspricht. Hiermit ist sichergestellt, dass die Batteriezustandserkennung des Kraftfahrzeugs korrekt funktioniert und die Funktionalitäten im Kraftfahrzeug erhalten bleiben.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen Batterien wird typischerweise ein Trennelement in Form eines Schützes oder eines
Halbleiterbausteins verwendet um die Eigensicherheit der Batterie zu
gewährleisten. In einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit kann der
Gleichspannungswandler die Funktion des Trennelements mit übernehmen. Dadurch ergeben sich Vorteile durch Reduktion von Kosten, Gewicht sowie Komplexität der Batterieeinheit. Dadurch werden auch die Sicherheit sowie die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Batterieeinheit erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine Batterieeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 2 eine Batterieeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform an einem
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 3 eine Batterieeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform an einem
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 4 eine Batterieeinheit gemäß einer vierten Ausführungsform an einem
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
Figur 5 eine Batterieeinheit gemäß einer fünften Ausführungsform an einem
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und
Figur 6 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs von
Ladezustand zu Spannung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Als Bordnetz 50 werden in diesem Zusammenhang die spannungsführenden Versorgungsleitungen in dem
Kraftfahrzeug bezeichnet. Das Bordnetz 50 weist vorliegend eine
Nominalspannung von 12 V gegenüber einer Masseleitung 55 in dem
Kraftfahrzeug auf.
Die Batterieeinheit 10 umfasst einen positiven Pol 12, welcher mit dem Bordnetz 50 verbunden ist. Die Batterieeinheit 10 umfasst auch einen negativen Pol 11, welcher mit einem Batteriesensor 52 verbunden ist. Der Batteriesensor 52 ist mit dem Bordnetz 50 und mit der Masseleitung 55 verbunden. Ferner ist der Batteriesensor 52 mittels einer Busschnittstelle 53 mit einem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeugs verbunden.
Der Batteriesensor 52 misst unter anderem eine zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 anliegende Spannung, welche einer Spannung zwischen dem Bordnetz 50 und der Masseleitung 55 entspricht. Auch misst der Batteriesensor 52 einen von der Masseleitung 55 zu dem negativen Pol 11 fließenden Strom, welcher einem Strom durch die
Batterieeinheit 10 entspricht.
Aus der gemessenen Spannung zwischen den Polen 11, 12 der Batterieeinheit 10 und aus dem gemessenen Strom durch die Batterieeinheit 10 ermittelt der Batteriesensor 52 eine Zustand, insbesondere einen Ladezustand, des
Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10. Der Batteriesensor 52 überträgt den ermittelten Zustand des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10 zu dem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeugs.
Die Batterieeinheit 10 umfasst ein Batteriemodul 20, welches mehrere
Batteriezellen aufweist, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Die Batteriezellen sind beispielsweise in Serie geschaltet und liefern eine
Nominalspannung von 12 V. Das Batteriemodul 20 weist ein negatives Terminal 21 und ein positives Terminal 22 auf. Zwischen den Terminals 21, 22 des Batteriemoduls 20 liegt die von den besagten Batteriezellen gelieferte Spannung an.
Die Batterieeinheit 10 umfasst ferner einen Gleichspannungswandler 30. Der Gleichspannungswandler 30 weist einen ersten Anschluss 31 auf, der mit dem positiven Terminal 22 des Batteriemoduls 20 verbunden ist. Der
Gleichspannungswandler 30 weist auch einen zweiten Anschluss 32 auf, der mit dem positiven Pol 12 der Batterieeinheit 10 verbunden ist. Ferner weist der Gleichspannungswandler 30 einen Masseanschluss 33 auf, der mit dem negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 30 ist vorliegend als Split-Pi-Wandler ausgeführt, welcher mehrere hier nicht dargestellte elektronische Schalter aufweist. Der Gleichspannungswandler 30 gestattet einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32. Auch gestattet der Gleichspannungswandler 30 eine Regelung einer ersten Spannung Ul zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem Masseanschluss 33, sowie eine Regelung einer zweiten Spannung U2 zwischen dem zweiten Anschluss 32 und dem Masseanschluss 33.
Die erste Spannung Ul und die zweite Spannung U2 des
Gleichspannungswandlers 30 sind durch entsprechende Ansteuerung der Schalter des Gleichspannungswandlers 30 regelbar. Die Batterieeinheit 10 umfasst daher ein Steuerungssystem 40, welches insbesondere zur Ansteuerung der Schalter des Gleichspannungswandlers 30 dient. Das Steuerungssystem 40 und der Gleichspannungswandler 30 sind beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Busleitung miteinander verbunden.
Das Batteriemodul 20, der Gleichspannungswandler 30 und das
Steuerungssystem 40 der Batterieeinheit 10 sind vorliegend als separate Elemente ausgeführt und als bauliche Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Figur 2 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der zweiten Ausführungsform gleicht weitgehend der in Figur 1 gezeigten
Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen.
Das Batteriemodul 20 und das Steuerungssystem 40 der Batterieeinheit 10 sind vorliegend als separate Elemente ausgeführt und als bauliche Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Der Gleichspannungswandler 30 der Batterieeinheit 10 ist in einem separaten Gehäuse angeordnet und somit baulich von dem Batteriemodul 20 und dem Steuerungssystem 40 getrennt. Figur 3 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer dritten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform gleicht weitgehend der in Figur 1 gezeigten
Batterieeinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen.
Der Gleichspannungswandler 30 und das Steuerungssystem 40 der
Batterieeinheit 10 sind vorliegend integriert und bilden ein gemeinsames
Element. Das Batteriemodul 20 ist als davon separates Element ausgeführt. Das Batteriemodul 20, der Gleichspannungswandler 30 und das Steuerungssystem
40 sind als bauliche Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Figur 4 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer vierten Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der vierten Ausführungsform gleicht weitgehend der in Figur 3 gezeigten
Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen.
Die Batterieeinheit 10 weist zusätzlich einen Umgehungsschalter 45 auf, welcher zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32 des
Gleichspannungswandlers 30 angeordnet ist. Mittels des Umgehungsschalters 45 sind der erste Anschluss 31 und der zweiten Anschluss 32 direkt verbindbar.
Figur 5 zeigt eine Batterieeinheit 10 gemäß einer fünften Ausführungsform an einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs. Die Batterieeinheit 10 gemäß der fünften Ausführungsform gleicht weitgehend der in Figur 3 gezeigten
Batterieeinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Im Folgenden wir nur auf Unterschiede eingegangen. Die Batterieeinheit 10 weist zusätzlich einen Gleichrichter 35 auf, welcher in den
Gleichspannungswandler 30 integriert ist. Der Gleichrichter 35 dient als
Ladegerät für die Batterieeinheit 10 und gestattet ein Aufladen des
Batteriemoduls 20 aus einem Wechselstromnetz. Vorliegend ist der Gleichrichter 35 dreiphasig ausgeführt und gestattet somit ein Aufladen des Batteriemoduls 20 aus einem dreiphasigen Drehstromnetz. Der Gleichrichter 35 kann alternativ auch einphasig ausgeführt sein und Aufladen des Batteriemoduls 20 aus einem einphasigen Wechselstromnetz gestatten.
Figur 6 zeigt eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs des
Ladezustands des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10 zu den Spannungen des Gleichspannungswandlers 30. Auf der Abszisse ist dabei der Ladezustand des Batteriemoduls 20 der Batterieeinheit 10 in Prozent angegeben. Auf der Ordinate ist die Spannung in Volt angegeben.
Die eine dargestellte Kurve zeigt die Abhängigkeit der ersten Spannung Ul, welche zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem Masseanschluss 33 des Gleichspannungswandlers 30 anliegt, von dem Ladezustand des Batteriemoduls 20. Die erste Spannung Ul entspricht dabei der Spannung des Batteriemoduls 20, welche zwischen dem positiven Terminal 22 und dem negativen Terminal 21 anliegt.
Die andere dargestellte Kurve zeigt die Abhängigkeit der zweiten Spannung U2, welche zwischen dem zweiten Anschluss 32 und dem Masseanschluss 33 des Gleichspannungswandlers 30 anliegt, von dem Ladezustand des Batteriemoduls 20. Die zweite Spannung U2 entspricht dabei einer Spannung, welche zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 11 der Batterieeinheit 10 anliegt. Die zweite Spannung U2 entspricht auch einer Ausgangsspannung UA einer konventionellen Blei-Säure-Batterie in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Blei-Säure-Batterie.
Bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss 31 zu dem zweiten Anschluss 32 des Gleichspannungswandlers 30, wenn das Batteriemodul 20 also entladen wird, wird die zweite Spannung U2 gemäß der dargestellten Kurve geregelt.
Bei einem Stromfluss von dem zweiten Anschluss 32 zu dem ersten Anschluss 31 des Gleichspannungswandlers 30, wenn das Batteriemodul 20 also geladen wird, wird die erste Spannung Ul gemäß der dargestellten Kurve geregelt.
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. Batterieeinheit (10) zur Verwendung an einem Bordnetz (50) eines
Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul (20) und einen
Gleichspannungswandler (30), welcher einen mit dem Batteriemodul (20) verbundenen ersten Anschluss (31) und einen mit dem Bordnetz (50) verbindbaren zweiten Anschluss (32) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass
der Gleichspannungswandler (30) einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss (31) und dem zweiten Anschluss (32) sowie eine Regelung einer ersten Spannung (Ul) an dem ersten Anschluss (31) und einer zweiten Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32) gestattet, wobei die Batterieeinheit (10) ferner ein Steuerungssystem (40) zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (30) umfasst.
2. Batterieeinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (20) mehrere Batteriezellen aufweist, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind.
3. Batterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieeinheit (10) einen Umgehungsschalter (45) aufweist, mittels welchem der erste Anschluss (31) und der zweiten Anschluss (32) direkt verbindbar sind.
4. Batterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieeinheit (10) einen Gleichrichter (35) aufweist. Verfahren zum Betrieb einer Batterieeinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss (31) zu dem zweiten Anschluss (32) die zweite Spannung (U2) an dem zweiten Anschluss (32) in Abhängigkeit von einem Zustand des Batteriemoduls (20) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Zustand des Batteriemoduls (20) von dem Steuerungssystem (40) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
verfahrensvorbereitend ein Zusammenhang zwischen einem Zustand und einer Ausgangsspannung (UA) einer Blei-Säure-Batterie
aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Stromfluss von dem ersten Anschluss (31) zu dem zweiten Anschluss (32) die zweite Spannung (U2) derart geregelt wird, dass die zweite Spannung (U2) der Ausgangsspannung (UA) der Blei-Säure- Batterie bei gleichem Zustand entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Stromfluss von dem zweiten Anschluss (32) zu dem ersten Anschluss (31) die erste Spannung (Ul) an dem ersten Anschluss (31) in Abhängigkeit von dem Zustand des Batteriemoduls (20) geregelt wird.
Verwendung einer Batterieeinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 9 an einem Bordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
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