DE102010047685A1

DE102010047685A1 - Kraftwagen mit einer Batterie und einer Ladeausgleichseinrichtung

Info

Publication number: DE102010047685A1
Application number: DE102010047685A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. 70376 Dörsam; Rainer Dipl.-Ing. 64832 Falsett
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einem Hochleistungsverbraucher (32), einem elektrischen Bordnetz, einer Batterie (10), welche wenigstens zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen (Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2) umfasst, sowie einer Ladeausgleichseinrichtung (14), welche den Ladezustand der elektrochemischen Zellen (Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2) der Batterie (10) steuert, wobei sowohl die elektrische Maschine (32) als auch das Bordnetz über die Batterie (10) betreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einem Hochleistungsverbraucher, einem elektrischen Bordnetz, einer Batterie, welche wenigstens zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen umfasst, sowie einer Ladeausgleichseinrichtung, welche den Ladezustand der elektrochemischen Zellen der Batterie steuert.
Zur Versorgung des Bordnetzes eines Kraftwagens mit Energie werden derzeit Bleiakkumulatoren eingesetzt. Üblich sind hierbei Bordnetzspannungen von 12 Volt (bzw. 14 Volt) und 24 Volt (bzw. 28 Volt). In Kraftwägen mit 24 Volt Bordnetzen werden in der Regel zwei Bleiakkumulatoren in Reihe geschaltet. Wird in einem solchen Bordnetz lediglich eine Spannung von 12 Volt benötigt, so erfolgt üblicherweise ein Mittelabgriff an den in Reihe geschalteten Batteriezellen. Zum sicheren und langlebigen Betrieb der einzelnen Bleiakkumulatorzellen wird ein Batteriemanagementsystem mit einer Ladeausgleichseinrichtung (Equalizer bzw. DC/DC-Wandler) benötigt. Auf diese Weise können Ungleichgewichte in der Ladungsentnahme vermieden werden, welche ansonsten durch die stärkere Belastung einer der beiden Zellen hervorgerufen würden. Die Ladeausgleichseinrichtung stellt also sicher, dass alle Zellen der Batterie gleichmäßig belastet werden, d. h. dass der benötigte Strom aus allen Zellen gemeinsam entnommen wird. Diese Technik wird in der Regel in symmetrischen Spannungsanlagen (12 Volt, 24 Volt) eingesetzt. Durch angepasste Dimensionierung der Ladeausgleichseinrichtung sowie der einzelnen Batteriezellen können diese auch in einem gemeinsamen Bauteil zusammengefasst werden.
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden mehrere verschiedene elektrische Spannungen benötigt, wobei jede der Spannungen durch eine eigene Batterie zur Verfügung gestellt wird. Eine Spannung von zum Beispiel 120 Volt für den Hybridantrieb des Kraftwagens wird typischerweise durch eine erste Batterie bereitgestellt, während die 12 Volt Spannungsversorgung für das Bordnetz von einem konventionellen Bleiakkumulator geliefert wird.
Aus der DE 10 2008 039 284 A1 ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeugbordnetzes bekannt, in der die Zellen einer Lithium-Ionen-Batterie so geschaltet werden können, dass die zum Starten des Motors abgegriffene Spannung nicht zum Spannungsabfall im übrigen Bordnetz führt. In der hierfür bereitgestellten Batterieeinheit sind einzelne Zellen sowohl parallel als auch in Serie geschaltet, wobei eine Symmetrierungselektronik die geregelte und zellspezifische Leistungsentnahme sicherstellt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftwagen mit einer Vorrichtung zur Stromversorgung bereitzustellen, welche besser auf die einzelnen elektronischen Komponenten des Kraftwagens abgestimmt ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Kraftwagen umfasst einen Hochleistungsverbraucher. Der Hochleistungsverbraucher kann insbesondere eine elektrische Maschine sein, welche zum Antrieb des Kraftwagens dient. Der Kraftwagen kann alternativ oder zusätzlich auch eine verbrennungsmotorische Maschine umfassen. Der Kraftwagen kann insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug sein. Ferner umfasst der Kraftwagen ein elektrisches Bordnetz sowie eine Batterie, welche wenigstens zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen umfasst. Der Kraftwagen umfasst auch eine Ladeausgleichseinrichtung, welche den Ladezustand der elektrochemischen Zellen der Batterie steuert. Erfindungsgemäß ist die Batterie so ausgelegt, dass mit ihr sowohl der Hochleistungsverbraucher als auch das Bordnetz des Kraftwagens betreibbar sind. Alle konventionellen Energiespeicher, die für die verschiedenen Applikationen im Kraftwagen benötigt werden, werden so in einer gemeinsamen Batterie zusammen gefasst. Die Ladeausgleichseinrichtung erlaubt hierbei, dass Ladungen zwischen den Zellen ausgeglichen werden können. Somit werden alle Zellen auf den gleichen Ladungsstand gebracht. Durch die Mehrfachnutzung der elektrochemischen Zellen und gegebenenfalls der elektronischen Komponenten, wie der Ladeausgleichseinrichtung, ergeben sich Einsparungen bezüglich Platzbedarf, Gewicht, Engineering-Leistung und Kosten.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teilnetz des Bordnetzes an eine erste Teilmenge von elektrochemischen Zellen der Batterie elektrisch so gekoppelt, das dem Teilnetz eine erste elektrische Spannung bereitgestellt wird. Bei dieser ersten elektrischen Spannung kann es sich insbesondere um eine für Bordnetze typische Spannung von 12 Volt oder 24 Volt handeln. Vorzugsweise ist dann der Hochleistungsverbraucher an eine zweite Teilmenge von elektrochemischen Zellen der Batterie elektrisch so gekoppelt, dass dem Hochleistungsverbraucher eine zweite elektrische Spannung bereitgestellt wird. Besonders bevorzugt ist es dann, wenn die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung verschieden ist. Die zweite elektrische Spannung kann insbesondere eine Spannung von 30 Volt oder mehr sein. Durch ein- und dieselbe Batterie können so verschiedenen elektrischen Anwendungen im Kraftwagen bedarfsgerechte Spannungen bereitgestellt werden. Es wird nur eine einzige Batterie für alle elektrischen Komponenten benötigt.
Vorzugsweise umfasst der Kraftwagen auch zumindest eine Kopplungseinrichtung. Die Kopplungseinrichtung erlaubt dann, den Hochleistungsverbraucher an zumindest eine Teilmenge der elektrochemischen Zellen der Batterie elektrisch anzukoppeln bzw. ihn von den elektrochemischen Zellen abzukoppeln. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Kopplungseinrichtung vorgesehen sein, mit der sich das gesamte Bordnetz oder Teilnetze des Bordnetzes an bzw. von wenigstens einer Teilmenge der elektrochemischen Zellen der Batterie elektrisch an- und/oder abkoppeln lassen. Auf diese Weise können die einzelnen elektrischen Komponenten des Kraftwagens erst dann in elektrischen Kontakt mit der Batterie gebracht werden, wenn auch elektrische Energie für die jeweilige Komponente benötigt wird.
Vorzugsweise umfasst die Batterie einen ersten Satz in Reihe geschalteter elektrochemischer Zellen, welche einen ersten Zellenstrang bilden, sowie einen zweiten Satz in Reihe geschalteter elektrochemischer Zellen, welche einen zweiten Zellenstrang bilden. Vorzugsweise ist dann der zweite Zellenstrang zumindest einer Teilmenge der elektrochemischen Zellen des ersten Zellenstrangs parallel geschaltet. Durch die Parallelschaltung einzelner Zellen kann bei gleichbleibender Spannung die maximal zur Verfügung stehende Leistung bzw. die Stromtragfähigkeit erhöht werden. Damit steht auch für elektrische Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme im Kraftwagen eine geeignete Energiequelle zur Verfügung.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Batterie selbst die Ladeausgleichseinrichtung umfasst. Dann ergibt sich ein besonders kompaktes und hochintegriertes Bauteil.
Vorzugsweise umfasst die Ladeausgleichseinrichtung einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) und/oder einen sogenannten Equalizer. Ladeausgleichseinrichtung und/oder Gleichspannungswandler und/oder Equalizer können Teil eines intelligenten Batteriemanagementssystems sein. Die Entladung bzw. Ladung der einzelnen Batteriezellen erfolgt dann besonders gleichmäßig, so dass die Kapazität und Lebensdauer der Zellen vergleichsweise hoch ist.
Vorzugsweise umfasst die Batterie zumindest eine Lithium-Ionen-Zelle. Durch den Einsatz von Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher können die Ausgangsspannungen in sehr weiten Bereichen frei gewählt und optimal auf die Verbraucher abgestimmt werden (z. B. durch das Einführen einer separaten Elektronikversorgungsspannung). Ein Einsatz von gesundheitsbedenklichen Bleiakkumulatoren im 12 Volt Bordnetz wird vermieden.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie, welche sowohl zur Spannungsversorgung einer elektrischen Maschine bzw. eines Hochleistungsverbrauchers als auch eines Bordnetzes eines konventionellen Kraftwagens dient.
Die Figur zeigt eine Batterie 10, welche in einem Kraftwagen mit Hybridantrieb verbaut ist. Der Kraftwagen umfasst eine für den Hybridantrieb erforderliche elektrische Maschine 32. Alternativ kann statt der elektrischen Maschine 32 auch ein anderer Hochleistungsverbraucher vorgesehen sein. Die elektrische Maschine 32 ist über Anschlüsse 20 elektrisch an die Batterie 10 gekoppelt. Daneben umfasst der Kraftwagen auch ein Bordnetz mit mehreren verschiedenen elektrischen Verbrauchern, zum Beispiel dem Abblendlicht, der Fahrzeuginnenraumbeleuchtung, dem Autoradio, dem Navigationssystem etc. Je nach benötigter Spannung der jeweiligen elektrischen Verbraucher sind diese an Teilnetze des Bordnetzes angeschlossen. Für diese Teilnetze stehen an der Batterie 10 verschiedene Anschlüsse, nämlich die Anschlüsse 22 und 24 zur Verfügung. Der Schluss des Stromkreises erfolgt über eine Erdung G.
Die Batterie 10 umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Zellen Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2. Alle diese elektrochemischen Zellen sind Lithium-Ionen-Zellen. Die elektrochemischen Zellen Z1, Z2, ..., ZN sind in Reihe geschaltet und bilden einen ersten Zellenstrang 28. Die Anschlüsse 20 für die elektrische Maschine 32 greifen die vom gesamten Zellenstrang 28 bereitgestellte elektrische Spannung ab. Für die elektrische Maschine 32 werden hohe elektrische Spannungen benötigt. Diese hohen elektrischen Spannungen lassen sich durch den Einsatz von Lithium-Ionen-Zellen nur durch eine Reihenschaltung sehr vieler solcher Zellen Z1, Z2, ..., ZN erzielen. Die elektrische Maschine 32 ist über eine elektrische Kopplungseinrichtung, welche durch Schalter 26 gebildet ist, an den Zellenstrang 28 ankoppelbar.
Für das Teilnetz des Bordnetzes, welches an den Anschluss 22 angeschlossen ist wird eine erheblich geringere Spannung als für die elektrische Maschine 32 benötigt. Diese Spannung wird durch eine Teilmenge von elektrochemischen Zellen des Zellenstrangs 28 bereitgestellt, nämlich durch die in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen Z1, Z2, Z3 und Z4. Der Anschluss 22 greift also nicht die über dem gesamten Zellenstrang 28 abfallende Spannung ab, sondern lediglich die über dem Teilzellenstrang (gebildet durch die elektrochemischen Zellen Z1 bis Z4) abfallende Spannung.
Das an den Anschluss 24 angeschlossene Teilnetz des Bordnetzes umfasst elektrische Verbraucher mit einer hohen Leistungsaufnahme. Um Spannungseinbrüche sicher zu verhindern sind deshalb am Anschluss 24 den elektrochemischen Zellen Z1 und Z2 die elektrochemischen Zellen Y1 und Y2 parallel geschaltet. Die beiden in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen Y1 und Y2 bilden gemeinsam einen zweiten Zellenstrang 30, welcher dem Teilzellenstrang des Zellenstrangs 28 parallel geschaltet ist, welcher durch die elektrochemischen Zellen Z1 und Z2 gebildet ist. Hierbei können auch die Zellen Z1 und Y1 bzw. Z2 und Y2 direkt parallel verschaltet werden.
Alle elektrochemischen Zellen Z1, Z2, ..., ZN, Y1 und Y2 sind in der gemeinsamen Batterie 10 in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst. Die Batterie 10 umfasst ferner eine Ladeausgleichseinrichtung 14, welche ebenfalls in dasselbe Gehäuse integriert ist. Durch ein Batteriesteuergerät 16 und einen Equalizer 18 der Ladeausgleichseinrichtung 14 wird sichergestellt, dass die einzelnen elektrochemischen Zellen Z1, Z2, ..., ZN, Y1 und Y2 gleichmäßig entladen bzw. geladen werden. Sie verhindert beispielsweise, dass eine der elektrochemischen Zellen bereits nahezu vollständig entladen ist, während eine andere elektrochemische Zelle noch nahezu vollständig aufgeladen ist.
Bezugszeichenliste

10: Batterie
Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2: elektrochemische Zelle
14: Ladeausgleichseinrichtung
16: Batteriesteuergerät
18: Equalizer
20: Anschluss
22: Anschluss
24: Anschluss
26: Schalter
28: Zellenstrang
30: Zellenstrang
32: Elektrische Maschine/Hochleistungsverbraucher
G: Erdung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008039284 A1 [0004]

Claims

Kraftwagen mit einem Hochleistungsverbraucher (32), einem elektrischen Bordnetz, einer Batterie (10), welche wenigstens zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen (Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2) umfasst, sowie einer Ladeausgleichseinrichtung (14), welche den Ladezustand der elektrochemischen Zellen (Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2) der Batterie (10) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Hochleistungsverbraucher (32) als auch das Bordnetz über die Batterie (10) betreibbar sind.
Kraftwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilnetz des Bordnetzes an eine erste Teilmenge von elektrochemischen Zellen (Z1/Z2/Z3/Z4, Z1/Z2/Y1/Y2) der Batterie (10) elektrisch so gekoppelt (22/G, 24/G) ist, dass dem Teilnetz eine erste elektrische Spannung bereitgestellt wird, und der Hochleistungsverbraucher (32) an eine zweite Teilmenge von elektrochemischen Zellen (Z1/Z2/.../ZN) der Batterie (10) elektrisch so gekoppelt (20) ist, dass dem Hochleistungsverbraucher (32) eine zweite elektrische Spannung bereitgestellt wird
Kraftwagen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftwagen zumindest eine Kopplungseinrichtung (26) umfasst, durch welche der Hochleistungsverbraucher (32) und/oder zumindest Teilnetze des Bordnetzes an zumindest eine Teilmenge der elektrochemischen Zellen (Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2) der Batterie (10) elektrisch an- und/oder abkoppelbar sind.
Kraftwagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) einen ersten Satz in Reihe geschalteter elektrochemischer Zellen (Z1, Z2, ..., ZN) umfasst, welche einen ersten Zellenstrang (28) bilden und die Batterie (10) einen zweiten Satz in Reihe geschalteter elektrochemischer Zellen (Y1, Y2) umfasst, welche einen zweiten Zellenstrang (30) bilden und der zweite Zellenstrang (30) zumindest einer Teilmenge (Z1, Z2) der elektrochemischen Zellen des ersten Zellenstrangs (28) parallel geschaltet ist.
Kraftwagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) die Ladeausgleichseinrichtung (14) umfasst.
Kraftwagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeausgleichseinrichtung (14) einen Gleichspannungswandler und/oder einen Equalizer (18) umfasst.
Kraftwagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) zumindest eine Lithium-Ionen-Zelle (Z1, Z2, ..., ZN, Y1, Y2) umfasst.