DE102010001239A1

DE102010001239A1 - Batteriesystem für Kraftfahrzeuge mit Hochleistungsverbrauchern

Info

Publication number: DE102010001239A1
Application number: DE102010001239A
Authority: DE
Inventors: Holger 70567 Fink
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-07-28
Also published as: EP2529465A2; WO2011091916A2; TW201139175A; WO2011091916A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, wobei das Batteriesystem wenigstens ein Niederspannungsbordnetz und ein Bordnetz mit erhöhter Spannung aufweist. Das Niederspannungsbordnetz umfasst wenigstens eine erste Batterie (10), welche ausgebildet ist, eine erste Spannung zu erzeugen und an das Niederspannungsbordnetz auszugeben, und wenigstens einen mit der ersten Batterie (10) verbundenen elektrischen Verbraucher (14-2). Das Bordnetz mit erhöhter Spannung umfasst wenigstens eine zweite Batterie (15), welche ausgebildet ist, eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben, einen elektrischen Generator (11-13, 13-2), welcher von dem Verbrennungsmotor betreibbar und ausgebildet ist, in einem Generatorbetrieb vom Verbrennungsmotor betrieben eine dritte Spannung, welche höher als die zweite Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung ist dabei mit dem Niederspannungsbordnetz über eine Koppeleinheit (17) verbunden, welche ausgebildet ist, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zuzuführen. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Batteriesystem.

Description

Die Erfindung geht von Batteriesystemen für Kraftfahrzeuge aus, welche eine Vielzahl verschiedenartiger elektrischer Verbraucher mit einer einheitlichen Betriebsspannung versorgen. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Batteriesystem.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein sogenanntes Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 14 V betrieben wird (siehe 1). Beim Starten des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) wird eine vom Ladezustand einer für die Versorgung vorgesehenen Starterbatterie 10 abhängige Spannung über das Bordnetz einem Starter 11 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor startet (im Beispiel der 1: wenn durch ein entsprechendes Startersignal der Schalter 12 geschlossen wird). Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13-1 („Lichtmaschine”) an, welcher dann eine Spannung von etwa 14 V erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14-1 im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13-1 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.
Ein Problem bei zeitgemäß ausgestatteten Kraftfahrzeugen ist nun, dass bei einem bei 14 V betriebenen Bordnetz die Versorgung von elektrischen Hochleistungsverbrauchern wie beispielsweise elektrischen Klimakompressoren oder elektrischen Heizsystemen problematisch ist, weit diese Verbraucher aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Spannung mit sehr hohen Strömen gespeist werden müssen, um die erforderliche Leistung zur Verfügung stellen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Ein erster Erfindungsaspekt führt ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ein, wobei das Batteriesystem wenigstens ein Niederspannungsbordnetz und ein Bordnetz mit erhöhter Spannung aufweist. Das Niederspannungsbordnetz umfasst wenigstens eine erste Batterie, welche ausgebildet ist, eine erste Spannung zu erzeugen und an das Niederspannungsbordnetz auszugeben, und wenigstens einen mit der ersten Batterie verbundenen elektrischen Verbraucher. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung umfasst wenigstens eine zweite Batterie, welche ausgebildet ist, eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben, einen elektrischen Generator, welcher von dem Verbrennungsmotor betreibbar und ausgebildet ist, in einem Generatorbetrieb vom Verbrennungsmotor betrieben eine dritte Spannung, welche höher als die zweite Spannung ist (und somit als Ladespannung für die zweite Batterie dienen kann), zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung ist dabei mit dem Niederspannungsbordnetz über eine Koppeleinheit verbunden, welche ausgebildet ist, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zuzuführen.
Das erfindungsgemäße Bordnetz bzw. Batteriesystem eignet sich für die Speisung von Hochleistungsverbrauchern besser.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass durch das Niederspannungsbordnetz weiterhin elektrische Verbraucher betrieben werden können, die auf eine niedrige (erste) Spannung ausgelegt sind. Für Hochleistungsverbraucher steht jedoch das Bordnetz mit erhöhter Spannung zur Verfügung, welches aufgrund der höheren zweiten Spannung die Hochleistungsverbraucher mit geringeren Strömen versorgen kann. Der elektrische Generator ist erfindungsgemäß im Bordnetz mit erhöhter Spannung angeordnet und versorgt dieses nach erfolgtem Starten des Verbrennungsmotors mit elektrischer Energie, welche wenigstens teilweise auch dem Niederspannungsbordnetz zum Aufladen der ersten Batterie zugeführt werden kann. Die Anordnung des elektrischen Generators im Bordnetz mit erhöhter Spannung hat dabei den Vorteil, dass die elektrische Energie im Generatorbetrieb im Bordnetz mit erhöhter Spannung selbst erzeugt wird, wo auch die Verbraucher mit der größten Leistungsaufnahme angeordnet sind.
Nur ein geringer Teil der vom elektrischen Generator erzeugten elektrischen Energie muss über die Koppeleinheit dem stark entlasteten Niederspannungsbordnetz zugeführt werden, was den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung verbessert. Das Niederspannungsbordnetz verfügt über eine eigene Batterie, sodass es unabhängig von einer Versorgung durch die Koppeleinheit beispielsweise im Falle des Startens des Verbrennungsmotors betrieben werden kann.
Bevorzugt ist der elektrische Generator als elektrischer Startergenerator ausgeführt und ausgebildet, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der elektrische Startergenerator beim Starten des Verbrennungsmotors aus der höheren Spannung der zweiten Batterie und somit aus einer höheren Spannung als nach dem Stand der Technik betrieben wird, sodass auch die für das Starten benötigten Ströme gesenkt werden können.
Alternativ kann das Batteriesystem einen im Niederspannungsbordnetz angeordneten und mit der ersten Batterie verbundenen oder verbindbaren Anlasser besitzen, welcher ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten. Hierbei wird die Kompatibilität mit existierenden Anlassern gewahrt, welche für eine niedrigere Spannung ausgelegt sind.
Besonders bevorzugt wird ein Batteriesystem, bei dem die erste Batterie und/oder die zweite Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie sind/ist. Lithium-Ionen-Batterien können einen größeren Energiebetrag in einem gegebenen Volumen speichern als beispielsweise Bleibatterien. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Koppeleinheit elektrische Energie aus dem Bordnetz mit erhöhter Spannung nach einem erfolgten Start des Verbrennungsmotors dem Niederspannungsbordnetz zuführt und so als Ladegerät für die erste Batterie fungieren kann.
Das Bordnetz mit erhöhter Spannung kann wenigstens einen Hochleistungsverbraucher, beispielsweise einen elektrischen Klimakompressor, ein elektrisches Heizsystem oder einen Elektromotor, aufweisen.
Die erste Spannung kann zwischen 10 V und 15 V betragen. Dieser Spannungsbereich garantiert Kompatibilität mit einer Vielzahl von im Kraftfahrzeugbau verfügbaren elektrischen Systemen.
Die zweite Spannung beträgt bevorzugt zwischen 24 V und 45 V. Dieser Spannungsbereich erlaubt eine vereinfachte Versorgung von Hochleistungsverbrauchern mit der benötigten elektrischen Leistung, ohne jedoch die Spannung so weit zu heben, dass im Reparaturfall eine Gefährdung von Wartungspersonal oder im Fall eines Unfalls von Rettungspersonal oder der Fahrzeuginsassen durch hohe Spannungen besteht. Indem die zweite Spannung etwa zwischen dem Doppelten bis Dreifachen der ersten Spannung beträgt, ist zudem die Kopplung des Bordnetzes mit erhöhter Spannung mit dem Niederspannungsbordnetz einfach möglich, eine Umsetzung der zweiten Spannung in die erste Spannung kann mit einem guten Wirkungsgrad erfolgen. Die dritte Spannung ist bevorzugt eine im Bereich zwischen der aktuellen Batteriespannung der zweiten Batterie und der maximal zulässigen Batteriespannung einstellbare Spannung, um die zweite Batterie aufladen zu können.
Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Batteriesystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche bzw. ähnliche Elemente. Es zeigen:
1 ein Batteriesystem nach dem Stand der Technik;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Eine erste Batterie 10, welche vorzugsweise als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist, versorgt ein Niederspannungsbordnetz mit einer Spannung von bevorzugt 10 V bis 15 V, wobei die genaue Spannung abhängig vom Ladezustand der ersten Batterie 10 ist. Mit der ersten Batterie 10 können einer oder mehrere elektrische (Niederleistungs-)Verbraucher 14-2 verbunden sein, welche für einen Betrieb bei der Spannung von 10 V bis 15 V ausgelegt sind. Beispiele für solche elektrischen Verbraucher können eine Musikanlage, ein Navigationsgerät, elektrische Fensterheber und dergleichen sein. Das Niederspannungsbordnetz ist über eine im Beispiel als DC/DC-Umsetzer ausgeführte Koppeleinheit 17 mit einen Bordnetz mit erhöhter Spannung verbunden. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung besitzt einen elektrischen Startergenerator 11-13, welcher auf ein Startersignal hin den Verbrennungsmotor startet und bei gestartetem Verbrennungsmotor von diesem betrieben als elektrischer Generator das Bordnetz mit erhöhter Spannung versorgt. Das Bordnetz mit erhöhter Spannung besitzt eine zweite Batterie 15, welche ebenfalls bevorzugt als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt und ausgebildet ist, eine zweite Spannung höher als die erste Spannung zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben. Die zweite Spannung beträgt bevorzugt zwischen 24 V und 45 V. Die zweite Batterie 15 stellt bei gestopptem Verbrennungsmotor die für den Startvorgang vom Startergenerator 11-13 sowie von etwaigen weiteren Verbrauchern im Bordnetz mit erhöhter Spannung benötigte elektrische Energie zur Verfügung. Der Startergenerator 11-13 ist ausgebildet, eine dritte Spannung zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben. Die dritte Spannung wird dabei so eingestellt, dass die zweite Batterie 15 in der gewünschten Weise geladen wird. Die Koppeleinheit 17 ist ausgebildet, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zur Verfügung zu stellen, wodurch die erste Batterie 10 aufgeladen wird. Die Koppeleinheit 17 kann außerdem ausgebildet sein, dem Niederspannungsbordnetz elektrische Energie zu entnehmen und dem Bordnetz mit erhöhter Spannung zuzuführen, wodurch eine Steuerung der Ladestände der ersten und zweiten Batterien 10, 15 möglich wird. Die Koppeleinheit 17 ist bevorzugt als DC/DC-Umsetzer, beispielsweise als Tiefsetzsteller, ausgeführt.
Das Bordnetz mit erhöhter Spannung enthält hingegen solche elektrischen Verbraucher, die eine verhältnismäßig hohe elektrische Leistung aufnehmen und daher einfacher aus einer höheren, erfindungsgemäß von der zweiten Batterie 15 oder vom elektrischen Startergenerator 11-13 erzeugten Spannung betrieben werden, um die notwendigen Ströme zu senken. In 2 sind solche Hochleistungsverbraucher 16 beispielhaft dargestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um elektrische Klimakompressoren oder Heizsysteme handeln.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Wesentlichen gilt hier das zum ersten Ausführungsbeispiel Gesagte. Der Hauptunterschied zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel besteht im Einsatz eines Anlassers 11, welcher im Niederspannungsbordnetz angeordnet ist, und eines elektrischen Generators 13-2, welcher im Bordnetz mit erhöhter Spannung angeordnet ist. Der Anlasser 11 wird somit wie im Stand der Technik üblich bei der niedrigen ersten Spannung der ersten Batterie 10 betrieben. Dem Anlasser 11 in Reihe geschaltet ist ein Schalter 12, welcher den Anlasser 11 auf ein Startersignal hin mit der ersten Batterie 10 verbindet und so den Startvorgang des Verbrennungsmotors einleitet.
Die Erfindung stellt so ein Bordnetz bzw. Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor zur Verfügung, welches sich für die Speisung von Hochleistungsverbrauchern besser eignet als Lösungen gemäß dem Stand der Technik.

Claims

Ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, das Batteriesystem wenigstens aufweisend: ein Niederspannungsbordnetz mit wenigstens einer ersten Batterie (10), welche ausgebildet ist, eine erste Spannung zu erzeugen und an das Niederspannungsbordnetz auszugeben, und wenigstens einem mit der ersten Batterie (10) verbundenen elektrischen Verbraucher (14-2) und ein Bordnetz mit erhöhter Spannung mit einer zweiten Batterie (15), welche ausgebildet ist, eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben, einem elektrischen Generator (11-13, 13-2), welcher von dem Verbrennungsmotor betreibbar und ausgebildet ist, in einem Generatorbetrieb vom Verbrennungsmotor betrieben eine dritte Spannung, welche höher als die zweite Spannung ist, zu erzeugen und an das Bordnetz mit erhöhter Spannung auszugeben, wobei das Bordnetz mit erhöhter Spannung mit dem Niederspannungsbordnetz über eine Koppeleinheit (17) verbunden ist, welche ausgebildet ist, dem Bordnetz mit erhöhter Spannung elektrische Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsbordnetz zuzuführen.
Das Batteriesystem nach Anspruch 1, bei dem der elektrische Generator (11-13) als elektrischer Startergenerator ausgeführt und ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten.
Das Batteriesystem nach Anspruch 1, mit einem im Niederspannungsbordnetz angeordneten und mit der ersten Batterie verbundenen oder verbindbaren Anlasser (11), welcher ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor auf ein Startersignal hin zu starten.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Batterie (10) und/oder die zweite Batterie (15) eine Lithium-Ionen-Batterie sind/ist.
Das Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Bordnetz mit erhöhter Spannung wenigstens einen Hochleistungsverbraucher (16), beispielsweise einen elektrischen Klimakompressor, ein elektrisches Heizsystem oder einen Elektromotor, aufweist.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Koppeleinheit (17) ein DC/DC-Umsetzer ist.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Spannung zwischen 10 V und 15 V beträgt.
Das Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Spannung zwischen 30 V und 45 V beträgt.
Das Batteriesystem nach Anspruch 8, bei dem die dritte Spannung in einem Bereich zwischen der zweiten Spannung und einer maximal zulässigen Batteriespannung der zweiten Batterie (15) einstellbar ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.