DE102013220643A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie Kraftfahrzeug-Bordnetz - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie Kraftfahrzeug-Bordnetz Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, eine primäre Batterie und eine sekundäre Batterie aufweist und wobei während des Betriebs des Verbrennungsmotors zumindest zeitweise eine Desulfatierung der primären Batterie zur Entfernung von Sulfatschichten erfolgt. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach Abschalten des Verbrennungsmotors (12, 22) elektrische Energie von der sekundären Batterie (11, 21) auf die primäre Batterie (10, 20) zur Fortsetzung der Desulfatierung übertragen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetz.
  • Blei-Säure-Batterien, welche in Kraftfahrzeugen mit Stopp-Start-Funktion sowie in Mikro-Hybrid-Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, erfordern in gewissen zeitlichen Abständen einen Auffrischungs- oder Desulfatierungszyklus, um Sulfatschichten zu entfernen, die bei längerem Betrieb mit nur teilweise geladener Batterie auftreten. Für eine effiziente Auffrischung ist es typischerweise erforderlich, dass die Blei-Säure-Batterie für eine zusammenhängende Zeitdauer von vorzugsweise wenigstens 24 Stunden bei maximaler Spannung (z.B. 15V) geladen wird. Derart lange Ladezeiten lassen sich bei wesentlich kürzeren Fahrtdauern von z.B. typischerweise 20–30 Minuten nicht gewährleisten. Darüber hinaus führt der zur Erzielung einer wirksamen Desulfatierung erforderliche Betrieb des Kraftfahrzeuges bei hoher Spannung für eine längere Zeitdauer (von z.B. Tagen oder Wochen) zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeuges.
  • Aus DE 10 2011 054 582 A1 ist u.a. eine Vorrichtung zum Steuern eines Batteriesystems bekannt, wobei eine Blei-Sekundär-Batterie und eine Lithium-Sekundär-Batterie mit relativ zur Blei-Sekundär-Batterie höherer Leistungs- und Energiedichte verwendet werden. Halbleiterschalter in Form von MOSFETs sind sowohl mit der Lichtmaschine als auch mit der Blei-Sekundär-Batterie und der Lithium-Sekundär-Batterie elektrisch leitend verbunden und werden über eine Steuerung (ECU) derart angesteuert, dass sich im Betrieb des Verbrennungsmotors die Aufladung der Lithium-Sekundär-Batterie nahe einem Aufladungssollwert befindet. Eine variable Einstelleinheit stellt diesen Aufladungssollwert basierend auf einer Zustandsvariablen abhängig von einem regenerativen Ladezustand und/oder Entladezustand der Lithium-Sekundär-Batterie variabel ein.
  • Aus EP 2 041 862 B1 sind u.a. eine elektrische Energiequelle sowie ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Energiequelle bekannt, wobei ebenfalls eine Hochspannungsbatterie in Form einer Lithium-Ionen-Batterie und eine Niedrigspannungsbatterie in Form einer Blei-Säure-Batterie verwendet werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes sowie ein Kraftfahrzeug-Bordnetzes bereitzustellen, welche eine wirksame und möglichst kraftstoffsparende Auffrischung oder Desulfatierung einer in dem Kraftfahrzeug-Bordnetz vorhandenen Batterie ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst.
  • Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, eine primäre Batterie und eine sekundäre Batterie aufweist, erfolgt während des Betriebs des Verbrennungsmotors zumindest zeitweise eine Desulfatierung der primären Batterie zur Entfernung von Sulfatschichten.
  • Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten des Verbrennungsmotors elektrische Energie von der sekundären Batterie auf die primäre Batterie zur Fortsetzung der Desulfatierung übertragen wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, den Auffrischungs- bzw. Desulfatierungszyklus einer primären Blei-Säure-Batterie unter Verwendung einer sekundären (insbesondere Lithium-basierenden) Batterie auszudehnen bzw. zu verlängern. Hierbei dient die zweite bzw. sekundäre Batterie gewissermaßen als "Hilfsbatterie" insbesondere dazu, um zum einen die Fortsetzung eines Desulfatierungszyklus im Betriebszustand mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor zu ermöglichen und zum anderen auch die Möglichkeit einer schnellen Wiederaufladung zu schaffen.
  • Indem die sekundäre Batterie im Zustand mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor bzw. Kraftfahrzeug an die primäre Batterie angeklemmt wird, wird Ladung von der sekundären Batterie auf die primäre Batterie überführt. Hierdurch wird eine Fortsetzung des Desulfatierungszyklus ermöglicht. Trotz der geringeren Spannung von z.B. typischerweise 13V wird hierbei die Aufladung (mit geringerer Rate) fortgesetzt. Optional kann die sekundäre Batterie abgeklemmt werden, wenn diese vollständig entladen ist. Bei der nächsten Fahrt des Kraftfahrzeuges kann dann der vollständige Lade- und Entladezyklus wiederholt werden: Während der Fahrt des Kraftfahrzeuges werden beide Batterien aufgeladen, und der Entladeprozess in der Blei-Säure-Batterie kann im Zustand mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor bzw. Kraftfahrzeug weitergeführt werden, bis der Desulfatierungszyklus abgeschlossen ist.
  • Der Ladebetrieb bei maximaler Spannung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Aufladung sowohl der primären (Blei-Säure-)Batterie als auch der sekundären (Lithiumbasierten) Batterie. Dabei kann der Batterieladezustand (SOC = "state of charge") der sekundären Batterie neu kalibriert werden, da es sich bei dem zu hundert Prozent aufgeladenen Zustand um einen definierten Batteriezustand handelt. Des Weiteren kann auch der Batteriesensor der primären (Blei-Säure-)Batterie neu kalibriert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektrische Verbindung zwischen der sekundären Batterie und der primären Batterie unterbrochen, sobald die sekundäre Batterie entladen ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden während des Betriebs des Verbrennungsmotors sowohl die primäre Batterie als auch die sekundäre Batterie aufgeladen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die sekundäre Batterie eine Entladespannung auf, welche größer als die Leerlaufspannung der primären Batterie ist.
  • Die Erfindung betrifft weiter auch ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, welches dazu ausgelegt ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachstehend anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes;
  • 2 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes;
  • 3 ein Flussdiagramm, zur Erläuterung eines Betriebs bzw. der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes; und
  • 4 ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungsverläufe der in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) gemäß einer Ausführungsform aufgetragen sind.
  • 1 und 2 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung bei Realisierung der Erfindung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien.
  • Dabei zeigt 1 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einem Kraftfahrzeug mit automatischer Stopp-Start-Funktion. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß 1 ist mit einem Verbrennungsmotor 12 sowie einem Starter-Generator 13, welcher mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12 verbunden ist und im generatorischen Betrieb sowohl eine Versorgungsbatterie in Form einer primären (Blei-Säure) Batterie 10 als auch Lasten bzw. Verbraucher 14 speist, ausgestattet. Der Starter-Generator 13 dient im motorischen Betrieb zum Starten des Verbrennungsmotors 12 und wird in dieser Betriebsphase von der primären Batterie 10 gespeist. Mit "10a" ist ein Batteriemanagementsystem der primären Batterie 10 bezeichnet. Gemäß 1 weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz ferner eine sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 11 auf, welcher ein Schalter 16 zugeordnet ist, wobei dieser Schalter 16 über eine Schaltungssteuerung 15 abhängig vom ein- bzw. ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors 12 ansteuerbar ist.
  • Des Weiteren ist gemäß 1 eine Schalteinrichtung 17 zur Abkopplung der Kurbelwelle zwecks Realisierung eines Stopp-Start-Betriebs des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Die sekundäre Batterie 11 dient in dem Kraftfahrzeug-Bordnetz von 1 auch zur Energierückgewinnung und Stabilisierung während des Stopp-Start-Betriebs.
  • 2 zeigt eine analoge Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug ohne automatische Stopp-Start-Funktion, wobei zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um "10" erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
  • Im Weiteren wird ein typischer Betrieb bzw. eine Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 sowie die Schaltungsanordnungen gemäß 1 bzw. 2 beschrieben.
  • Bei Einschaltung der Zündung (Schritt S10) erfolgt im Schritt S20 ein Schließen des Schalters 16 bzw. 26, wobei die sekundäre Batterie 11 bzw. 21 elektrisch angeschlossen bzw. angeklemmt wird. Nach Ausschalten der Zündung (Schritt S30) wird regelmäßig abgefragt, ob der Nachlaufzyklus abgeschlossen ist oder ob der Batteriestrom kleiner als 0.1 Ampere (A) ist. Wenn dies gemäß Abfrage im Schritt S40 der Fall ist (anderenfalls erfolgt eine wiederholte Abfrage bzw. Durchführung des Schrittes S40), wird im Schritt S50 der Schalter 16 bzw. 26 geöffnet, und die sekundäre Batterie 11 bzw. 21 wird abgeklemmt.
  • Die Schaltstrategie umfasst eine Lastversorgung sowohl durch die primäre als auch die sekundäre Batterie im Betrieb des Kraftfahrzeuges bzw. des Verbrennungsmotors sowie eine Wiederaufladung der primären (Blei-Säure-)Batterie nach der Abschaltung des Kraftfahrzeuges bzw. des Verbrennungsmotors. Im ausgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors 12 bzw. 22 wird die in der sekundären (Lithium-basierten) Batterie 11 bzw. 21 gespeicherte Energie auf die primäre (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20 überführt, so dass der Desulfatierungszyklus im Zustand mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor fortgeführt werden kann. Während der nächsten Fahrt des Kraftfahrzeuges werden beide Batterien aufgeladen, und der Entladeprozess in der primären (Blei-Säure-)Batterie kann im Zustand mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor bzw. Kraftfahrzeug weitergeführt werden, bis der Desulfatierungszyklus abgeschlossen ist.
  • 4 zeigt ein Diagramm, in welchem beispielhafte Spannungspegel-Verläufe der in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetz vorhandenen Batterien in Abhängigkeit vom Batterieladezustand (SOC) aufgetragen sind. Dabei ist mit "A" die Leerlaufspannung (OCV = "open circuit voltage") der sekundären (Lithium-basierten) Batterie 11 bzw. 21, mit "B" die Leerlaufspannung der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20, mit C die Entladegrenze und mit "D" die Ladegrenze bezeichnet. Des Weiteren ist der Betriebsbereich der sekundären (Lithium-basierten) Batterie 11 bzw. 21 mit "I" bezeichnet, und der Betriebsbereich der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20 ist mit "II" bezeichnet. Die sekundäre (Lithium-basierende) Batterie 11 bzw. 21 besitzt vorzugsweise eine Entladespannung, deren Wert oberhalb der charakteristischen Leerlaufspannung der primären (Blei-Säure-)Batterie 10 bzw. 20 liegt.
  • 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 102011054582 A1 [0003]
    • EP 2041862 B1 [0004]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, eine primäre Batterie und eine sekundäre Batterie aufweist, wobei während des Betriebs des Verbrennungsmotors zumindest zeitweise eine Desulfatierung der primären Batterie zur Entfernung von Sulfatschichten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten des Verbrennungsmotors (12, 22) elektrische Energie von der sekundären Batterie (11, 21) auf die primäre Batterie (10, 20) zur Fortsetzung der Desulfatierung übertragen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung zwischen der sekundären Batterie (11, 21) und der primären Batterie (10, 20) unterbrochen wird, sobald die sekundäre Batterie (11, 21) entladen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs des Verbrennungsmotors (12, 22) sowohl die primäre Batterie (10, 20) als auch die sekundäre Batterie (11, 21) aufgeladen werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Batterie (11, 21) eine Entladespannung aufweist, welche größer als eine Leerlaufspannung der primären Batterie (10, 20) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Batterie (10, 20) eine Blei-Säure-Batterie ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Batterie (11, 21) eine Lithium-basierte Batterie ist.
  7. Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor (12, 22), eine primäre Batterie (10, 20) und eine sekundäre Batterie (11, 21) aufweist, wobei während des Betriebs des Verbrennungsmotors (12, 22) zumindest zeitweise eine Desulfatierung der primären Batterie (10, 20) zur Entfernung von Sulfatschichten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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