DE102018006582A1

DE102018006582A1 - Batterie für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeugbordnetz

Info

Publication number: DE102018006582A1
Application number: DE102018006582.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Demmerle; Roland Matthe
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2018-08-18
Filing date: 2018-08-18
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie (1) für ein Kraftfahrzeug (10), ein Kraftfahrzeugbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug (10). Die Batterie (1) umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher (20), wenigstens einen Masseanschluss (21, 31), einen ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) und ein Batteriemanagementsystem (24). Ein positiver Pol (201) des Energiespeichers (20) ist über ein Leistungsschaltelement (23) schaltbar mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) verbunden, wobei das Leistungsschaltelement (23) durch das Batteriemanagementsystem (24) ansteuerbar ist. Die Batterie (1) umfasst ferner einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss (32) der über eine erste Schaltungseinrichtung (33) mit dem positiven Pol (201) des Energiespeichers (20) elektrisch verbunden ist, wobei die erste Schaltungseinrichtung (33) eine Strombegrenzungseinrichtung umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeugbordenetz sowie ein Kraftfahrzeug.
Kraftfahrzeugbordnetze werden konventionell mit einer Blei-Säure-Batterie ausgerüstet, mit der im Beispiel eines Personenkraftwagens (PKW) eine Batterienennspannung von 12 V bereitgestellt wird. Die Batterie dient dabei zum Starten eines Verbrennungsmotors sowie zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugbornetzes, sofern von einem verbrennungsmotorbetrieben Generator keine oder eine nicht ausreichende elektrische Leistung bereitgestellt wird.
Für zukünftige Fahrzeuganwendungen, insbesondere hinsichtlich der angestrebten CO2-bzw. Kraftstoffeinsparungen, gewinnen Fahrzeugbatterien mit einem Zellsystem basierend auf der Lithium-Ionen- (Li-Ion-) Technologie zunehmend an Bedeutung. Fahrzeugbatterien mit Li-Ion-Zellen besitzen gegenüber den herkömmlichen Blei-Säure-Batterien eine höhere Energiespeicherdichte, mit der eine Gewichtsreduzierung erzielt werden kann. Des Weiteren weisen die Li-lon-Zellen eine höhere Ladeakzeptanz als Blei-Säure-Batterien auf, die insbesondere zum Speichern von rekuperierter Bremsenergie vorteilhaft ist.
Neben den genannten und weiteren Vorteilen weisen auf Li-Ion-Technologie basierende elektrochemische Zellsysteme auch einige kritische Eigenschaften auf. Lithium-Ion-Zellen sind insbesondere weniger widerstandsfähig gegen Überladen und gegen Überströme als konventionelle Blei-Säure-Batterien. Li-Ion-Batterien für Kraftfahrzeuge sind daher mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet, das zusammen mit einem Leistungsschalter und dem elektrochemischen Energiespeicher, d.h. einer Anzahl von miteinander verschalteten Li-lon-Zellen, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Aus dem Batteriegehäuse sind zwei Anschlussklemmen herausgeführt, über die eine Versorgungsspannung und ein Massepotential für ein Kraftfahrzeugbordnetz bereitgestellt wird. Der Versorgungsspannungsanschluss ist schaltbar über den Leistungsschalter mit dem positiven Pol der Li-lon-Zellen verbunden, der Masseanschluss mit dem negativen Pol. Das BMS umfasst ein Mikroprozessorsystem und unterschiedliche Messeinrichtungen, mit denen zahlreiche Batterie- bzw. Zellparameter überwacht werden können. Ferner ist das BMS mit einer Datenschnittstelle zum Anschluss z.B. an ein CAN- bzw. LIN-BUS eines Kraftfahrzeugbordnetzes ausgerüstet, so dass eine Kommunikation mit dem Energie- bzw. Generator-Management und anderen Steuergeräten möglich ist. Das BMS ist insbesondere eingerichtet, den aktuellen Ladezustand (engl. State of Charge, SoC) der Li-Ion-Batterie festzustellen. Falls eine Überladung oder ein Überstrom nicht über das Energiemanagement ausgeregelt werden können, kann aus Sicherheitsgründen der Leistungsschalter getrennt werden.
Neben einer geringen Widerstandsfähigkeit gegenüber Überladungen und Überströme sind Li-Ion-Batterien auch empfindlich gegenüber Tiefentladungen, die zu Zellschäden und einer verkürzten Lebensdauer oder einem sofortigen Ausfall der Batterie führen können. Bei einem abgestellten Kraftfahrzeug kann es daher problematisch werden, dass viele der im Kraftfahrzeugbordnetz verteilten Steuergeräte in einen Bereitschaftszustand versetzt werden, die währenddessen weiterhin elektrischen Strom aufnehmen. Die Stromaufnahme in einem Kraftfahrzeugbordnetz kann sich je nach Fahrzeugmodell und Ausstattung zum Beispiel in einem Bereich zwischen 5 mA und 25 mA summieren. Dieser Bereitschaftsbetrieb kann für eine Li-Ion-Batterie im Kraftfahrzeugbordenetz beispielsweise dann kritisch werden, wenn das Fahrzeug über einen längeren Zeitraum beispielsweise über Wochen und Monate abgestellt wird, innerhalb dem die Batterie über einen Tiefentladungsschwellwert hinaus entladen werden könnte.
Aus der DE 10 2012 211 393 A1 ist eine Li-Ion-Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Tiefentladungsschutzfunktion bekannt, die durch Zusammenwirken eines integrierten Leistungsschalters und eines BMS bereitgestellt wird. Der Leistungsschalter kann geöffnet werden, sobald das BMS ein Unterschreiten eines jeweiligen Tiefentladungsschwellwerts bei einem Batterieparameter feststellt. Durch Öffnen des Leistungsschalters werden alle Stromverbraucher in dem Kraftfahrzeugbordnetz von den Batteriezellen getrennt. Um eine weitere Entladung nach einer Tiefentladungsschutzabschaltung effizient zu reduzieren, kann auch das intergierte BMS von den Batteriezellen getrennt werden.
Nachteilig an dem Stand der Technik ist, dass eine schutzabgeschaltete Fahrzeugbatterie durch einen Fahrzeugnutzer erst manuell reaktiviert werden muss, bevor überhaupt eine der elektrischen Fahrzeugfunktionen verfügbar ist.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen verbesserten Tiefentladungsschutz für eine Fahrzeugbatterie bereitzustellen, der insbesondere der Benutzerfreundlichkeit im Zusammenhang mit Langzeitparkvorgängen, d.h. beim Abstellen eines Fahrzeuges für einen Zeitraum von beispielsweise einem Monat und länger, gerecht wird.
Vorgeschlagen wird dementsprechend eine Batterie für ein Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Hauptanspruch und durch ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug und durch ein Kraftfahrzeug gemäß den Nebenansprüchen. Weiterführende Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zufolge gelöst durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, die einen elektrochemischen Energiespeicher, wenigstens einen Masseanschluss, einen ersten Spannungsanschluss und ein Batteriemanagementsystem umfasst. Ein positiver Pol des Energiespeichers ist über ein Leistungsschaltelement schaltbar mit dem ersten Spannungsanschluss verbunden und das Leistungsschaltelement durch das Batteriemanagementsystem ansteuerbar ist. Die Batterie umfasst ferner einen zweiten Spannungsanschluss, der über eine erste Schaltungseinrichtung mit dem positiven Pol des Energiespeichers elektrisch verbunden ist, wobei die erste Schaltungseinrichtung eine Strombegrenzungseinrichtung umfasst.
Ein elektrochemischer Energiespeicher umfasst wenigstens eine Gruppe mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen. Der positive Pol des Energiespeichers ist der Pluspol der Reihenschaltung aus den elektrochemischen Zellen, der negative Pol ist der Minuspol dieser Reihenschaltung, der vorzugsweise als Bezugs- bzw. Massepotential definiert wird. Zwischen dem positiven und dem negativen Pol des Energiespeichers wird die Batteriespannung bereitgestellt, die über Anschlussklemmen für den ersten und zweiten Spannungsanschluss sowie dem Masseanschluss aus einem Batteriegehäuse herausgeführt ist. Die elektrochemischen Zellen sind vorzugsweise Li-lon-Zellen.
Ein Batteriemanagementsystem umfasst elektronische Schaltkreise zum Steuern und Regeln von Lade- und Entladevorgängen des elektrochemischen Energiespeichers bzw. seiner einzelnen Zellen. Das Batteriemanagementsystem kann ein Mikroprozessorsystem beinhalten, mit dem Batterieparameter wie Batteriespannung, einzelne Zellspannungen, Temperaturen und/oder Ströme erfasst und verarbeitet werden, um weitere Parameter wie den Ladezustand der Batterie zu ermitteln. Wird bei wenigstens einem Parameter ein kritischer Grenzwert erreicht, kann die Elektronik bzw. der Mikroprozessor des Batteriemanagementsystems das Leistungsschaltelement ansteuern, so dass der elektrochemische Energiespeicher von zumindest einer aus dem Batteriegehäuse herausgeführten Anschlussklemme und somit auch von einem angeschlossenen Kraftfahrzeugbordnetz getrennt werden kann.
Das Leistungsschaltelement ist vorzugsweise in Form eines elektromechanischen Schützes einem sogenannten Hauptschütz (engl. main contactor) ausgeführt. Grundsätzlich kann auch ein Leistungshalbleiterschalter an dieser Stelle Verwendung finden, sofern Ströme von typischerweise 800 A bzw. Stromspitzen von typischerweise bis zu 1400 A zuverlässig getrennt werden können. Ein Leistungsschaltelement kann grundsätzlich auch zweipolig ausgestaltet sein, so dass neben dem ersten Spannungsanschluss gleichzeitig auch ein zugeordneter Masseanschluss vom Energiespeicher getrennt werden kann.
Gemäß diesem ersten Aspekt der Erfindung wird ein zweiter Spannungsanschluss an der Batterie bereitgestellt, der zumindest in bestimmten Fällen einer durch das Batteriemanagementsystem initiierten Abschaltung des ersten Spannungsanschluss nicht betroffen ist. Somit kann über diesen zweiten Spannungsanschluss eine elektrische Energieversorgung für ausgewählte Verbraucher bereitgestellt werden. Bei einer Trennung des Leistungsschaltelements zum Schutz der Batterie vor einer Tiefentladung ist es sinnvoll, nur elektrische Verbraucher für die notwendigsten Funktionen zu versorgen. Daher wird der maximale Strom begrenzt, der über den zweiten Spannungsanschluss abgegeben werden kann, so dass auch ein weiteres Entladen des elektrochemischen Energiespeichers auf ein Minimum reduziert werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung wird neben dem bekannten Bereitschaftsbetrieb und einer Bordnetzvollabschaltung beim Erreichen bzw. Unterschreiten eines kritischen Ladezustands der Batterie ein Langzeitbereitschaftsmodus bereitgestellt, mit dem zumindest eine minimale Bordnetzfunktion mit geringer Leistungsaufnahme bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung des ersten Erfindungsaspektes kann das Batteriemanagementsystem einen Timer und eine Datenschnittstelle umfassen. Das Batteriemanagementsystem kann ferner ausgebildet sein, den Timer in Abhängigkeit einer über die Datenschnittstelle empfangenen ersten Fahrzeugbetriebszustandsinformation zu starten. Das Batteriemanagementsystem kann ferner dazu ausgebildet sein, das Leistungsschaltelement in Abhängigkeit eines abgelaufenen Timers anzusteuern, um den positiven Pol des Energiespeichers von dem elektrisch ersten Spannungsanschluss elektrisch zu trennen.
Die Idee hinter dieser Weiterbildung ist, einen präventiven Tiefentladungsschutz für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, der vorzugsweise bei einem Ladezustand ausgelöst wird, der oberhalb eines kritischen unteren Ladezustandes liegt. Somit kann ggf. eine ausreichende Ladung zum Starten eines Motors in einem Kraftfahrzeug in der Batterie zurückgehallten werden, die nach einer Reaktivierung der Batterie über den ersten Spannungsanschluss abgerufen werden kann.
Fahrzeugbetriebszustandsinformation kann beispielsweise ein Verriegelungssignal aus einem Steuergerät einer Zentralverriegelung sein, das als charakteristisches Signal für einen Beginn eines Parkvorgangs angesehen werden kann. Eine Ablaufzeit des Timers kann so derart gewählt sein, dass das Leistungsschaltelement den ersten Spannungsanschluss erst dann batteriespannungsfrei schaltet, wenn ein Kraftfahrzeug für einen längeren Zeitraum abgestellt wird, innerhalb dem eine Tiefentladung der Batterie droht. Wird zum Beispiel eine Ablaufzeit von 30 Tagen gewählt, so ist eine normale Wiederinbetriebnahme und Start des Fahrzeuges aus dem Bereitschaftsbetrieb möglich.
Gemäß einer alternativen oder ergänzenden Weiterbildung kann das Batteriemanagementsystem ausgebildet sein, einen Ladezustand des Energiespeichers zu erfassen und das Leistungsschaltelement in Abhängigkeit eines Unterschreitens einer ersten Ladezustandsschwelle anzusteuern, um die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Pol des Energiespeichers und dem elektrisch ersten Spannungsanschluss zu trennen.
Die erste Ladezustandsschwelle kann vorteilhafterweise so gewählt sein, dass in dem Energiespeicher der Batterie ein Ladezustand verbleibt, der zumindest für einen Motorstart eines Kraftfahrzeuges ausreichend ist, ohne dass der Energiespeicher in einen kritischen Tiefentladezustand gelangt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung kann dem Batteriemanagementsystem ferner eine zweite Schaltungseinrichtung zugeordnet sein, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines getrennten Leistungsschaltelementes eine Versorgungsspannung zumindest für Teile des Batteriemanagementsystem zu unterbrechen.
Das Batteriemanagementsystem mit einem integrierten Mikroprozessor und zugeordneten Schaltungseinrichtungen zum Erfassen und Aufbereiten von gemessenen physikalischen Betriebsparametern, stellt auch einen Verbraucher dar, der im Bereitschaftsbetrieb weiterhin elektrischen Strom aufnimmt, die von dem elektrochemischen Energiespeicher der Batterie bereitgestellt werden muss. Mit einer Unterbrechung der Versorgungsspannung, zumindest für Teile des Batteriemanagementsystems, in Abhängigkeit eines getrennten Leistungsschaltelements kann die Entladung des Energiespeichers zusätzlich reduziert werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann ferner eine Überwachungseinrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, eine Spannung über die Anzahl miteinander verschalteter Batteriezellen zu erfassen und mit einem unteren Spannungsschwellwert zu vergleichen.
Auch in einem Langzeitbereitschaftsmodus kann eine untere Ladezustandsschwelle stetig überwacht werden, um eine Schädigung des elektrochemischen Energiespeichers bzw. drohenden Zelldefekten entgegenwirken zu können. Die untere Ladezustandsschwelle kann anhand eines korrespondierenden minimalen Spannungswerts zwischen dem positiven und dem negativen Pol des Energiespeichers überwacht werden. Die Überwachungseinrichtung stellt eine vom Batteriemanagementsystem, mit dem der Ladezustand der Batterie kontinuierlich berechnet und überwacht werden kann, unabhängige Tiefentladungsüberwachung bereit. Somit kann das Batteriemanagementsystem während eines Langzeitbereitschaftsmodus deaktiviert werden.
Ergänzend kann die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die erste Schaltungseinrichtung anzusteuern, um bei einem Unterschreiten des unteren Spannungsschwellwerts den positiven Pol des Energiespeichers von dem zweiten Spannungsanschluss elektrisch zu trennen.
Mit Erreichen einer kritischen unteren Ladezustandsschwelle kann ein Langzeitbereitschaftsmodus beendet werden, so dass die Batterie bzw. ihre Zellen vor einer weiteren Entladung geschützt wird bzw. werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Überwachungseinrichtung eine analoge Komparator-Schaltung mit wenigstens einem Operationsverstärker und einer Referenzspannungsschalungseinrichtung umfassen.
Entsprechende analoge Schaltungen zeichnen sich durch eine Stromaufnahme im Bereich von einigen µA aus, während ein mikroprozessorbasiertes Batteriemanagementsystem im Betrieb zwischen 1-3 mA benötigt. Insbesondere für einen Langzeitbereitschaftsmodus wird somit ein energiesparender Tiefentladungsschutz bereitgestellt.
Gemäß einer Weiterbildung kann die erste Schaltungseinrichtung der Batterie einen Leistungstransistor, eine Messeinrichtung sowie eine Treiberlogik umfassen. Die Messeinrichtung kann ausgebildet sein, einen durch den Leistungstransistor fließenden Laststrom zu erfassen. Die Treiberlogik kann ausgebildet sein, den Leistungstransistor in Abhängigkeit des Laststroms und in Abhängigkeit eines Unterschreitens des unteren Spannungsschwellwerts anzusteuern.
Der Leistungstransistor vereint im Zusammenwirken mit der zugeordneten Messeinrichtung und Treiberlogik eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem Leistungsschalter in einem Halbleiterbauelement. Vorzugsweise können Leistungstransistor, Messeinrichtung und Treiberlogik in einem monolithisch integrierten Schaltkreis (engl. Integrated Circuit, IC) zusammengefasst sein.
Die erste Schaltungseinrichtung kann gemäß einer Weiterbildung ausgebildet sein, mittels der Messeinrichtung einen Stromimpuls zu erfassen. Die erste kann ferner ausgebildet sein, in Abhängigkeit eines erfassten Stromimpulses ein Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem zu senden.
Ein Gedanke hinter der vorliegenden Erfindung ist, auch eine komfortable Möglichkeit zur Beendigung eines Langzeitbereitschaftsmodus bzw. zum Reaktivieren eines jeweiligen Kraftfahrzeugbordnetzes bereitzustellen. Ein Stromimpuls stellt eine einfache Möglichkeit eine Kommunikation zwischen einem am zweiten Versorgungsspannungsanschluss angeschlossenen Steuergerät, z.B. das der Zentralverriegelung, und einer Batterieelektronik dar. Im Zusammenhang mit einem Zentralverriegelungsmodul des Kraftfahrzeuges kann der Stromimpuls, der bei einer Ansteuerung entsprechender Aktoren entsteht, als implizites Auswecksignal genutzt werden, so dass kein extra Signal generiert werden muss.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die erste Schaltungseinrichtung eine Schmelzsicherung und einen elektromechanischen Leistungsschalter umfassen.
In dieser Konfiguration sind die Funktionen der Strombegrenzungseinrichtung und des Leistungsschalters voneinander getrennt. Die Schmelzsicherung stellt dabei eine einfache Überstrombegrenzung, insbesondere für einen Fehlerfall dar. Der elektromechanische Leistungsschalter kann als Relais ausgebildet sein, das entsprechend eines Nennstromes der Schmelzsicherung auf einen geringen maximalen Strom ausgelegt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeugbordnetz, das ein erstes Teilbordnetz mit einer ersten Spannungsversorgungsleitung, ein zweites Teilbordnetz mit einer zweiten Spannungsversorgungsleitung und eine Batterie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Die erste Spannungsversorgungsleitung des ersten Teilbordnetzes ist mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss der Batterie verbunden. Die zweite Spannungsversorgungsleitung ist mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss der Batterie verbunden. Die zweite Spannungsversorgungsleitung ist auf einen geringeren maximalen Strom ausgelegt, als die erste Spannungsversorgungsleitung.
Das zweite Teilbordnetz ist gemäß einer Idee hinter dem zweiten Erfindungsaspekt zur elektrischen Energieversorgung ausgewählter Steuergräte vorgesehen, die während eines Langzeitbereitschaftsmodus in Summe eine kleinere Leistungs- bzw. Stromaufnahme haben, als die Summe aller Steuergeräte während eines herkömmlichen Bereitschaftsbetriebs. Die Auslegung auf einen geringeren maximalen Strom ermöglicht, für die zweite Spannungsversorgungsleitung geringere Leitungsquerschnitte vorzusehen, als für die erste Spannungsversorgungsleitung, zumindest in einem Leitungsabschnitt zwischen dem erstem Versorgungsspannungsanschluss der Batterie und einen ersten Sicherungskasten.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeugbordnetz gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt.
Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktions-gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeugbordnetz und einer Fahrzeugbatterie;
2 eine Fahrzeugbatterie;
3 eine erste Ausgestaltung einer ersten Schaltungseinrichtung der Fahrzeugbatterie;
4 eine zweite Ausgestaltung einer ersten Schaltungseinrichtung der Fahrzeugbatterie.

In der 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einer erfindungsgemäßen Batterie 1 und einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetz dargestellt. Das Kraftfahrzeugbordnetz umfasst zwei Teilbordnetze, wobei sich ein links von der Batterie erstreckendes erstes Teilbordnetz eine erste Versorgungsleitung 2 aufweist, die mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 der Batterie 1 verbunden ist. Ein zweites Teilbordnetz mit einer zweiten Versorgungsleitung 3 ist rechts von der Batterie 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeugbordnetz kann ein gemeinsames Massepotential für beide Teilbordnetze besitzen, wobei eine elektrisch leitfähige Karosserie als Masseleitung fungieren kann.
Beide Teilbordnetze stellen jeweils eine 12 V Versorgungsnennspannung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer Fahrzeugkomponenten bereit. Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Teilbordnetz liegt darin, dass die zweite Versorgungsleitung 3 und der zweite Versorgungsspannungsanschluss 32 der Batterie 1 für einen geringeren maximalen Strom ausgelegt sind, als die erste Versorgungsleitung 2 und der ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 der Batterie 1. Der zweite Versorgungsspannungsanschluss 32 der Batterie 1 stellt somit erfindungsgemäß einen zusätzlichen Kleinleistungsausgang (engl. Low Power Outlet, LPO) der Batterie 1 dar.
An der ersten Versorgungsleitung 2 sind zahlreiche elektrische Fahrzeugkomponenten angeschlossen, wobei beispielhaft ein Generator 7 und ein Widerstand abgebildet sind. Der Widerstand steht stellvertretend für eine Vielzahl elektronischer Steuergeräte bzw. andere elektrische Verbraucher 8 des Kraftfahrzeugbordnetzes, die elektrische Energie benötigen. Die Zuleitungen für den Generator 7 und die elektrischen Verbraucher 8 sind jeweils zum Schutz vor Überströmen mit Sicherungen 9 abgesichert.
Die zweite Versorgungsleitung 3 stellt eine elektrische Energieversorgung für eine Zentralverriegelungsmodul 5 bereit. Das Zentralverriegelungsmodul 5 ist mit einem Funkempfänger ausgerüstet, der ein Funksignal 40 von einer Schlüsselfernbedienung empfangen kann.
Das Kraftfahrzeugbordnetz umfasst ferner ein Datenübertragungsnetzwerk, das als CAN- oder LIN-Bussystem ausgebildet sein kann und eine Kommunikation zwischen zahlreichen elektronischen Steuergeräten im Kraftfahrzeugbordnetz ermöglicht. Insbesondere ist das Zentralverriegelungsmodul 5 und die Batterie 1 mit der Datenleitung 4 des Datenübertragungsnetzwerks verbunden.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 1 für ein Kraftfahrzeug 10, die ein erstes Anschlussklemmenpaar zum Bereitstellen einer Batteriespannung für das erste Teilbordnetz umfasst. Die 12 V Versorgungsnennspannung wird von einer Reihenschaltung aus eine Anzahl von Li-lon-Zellen bereitgestellt, die den elektrochemischen Energiespeicher 20 der Batterie bilden. Ein negativer Pol des elektrochemischen Energiespeichers 20 ist mit einem Masseanschluss 21 des ersten Anschlussklemmenpaars elektrisch verbunden. Eine elektrische Verbindung eines positiven Pols 201 des Energiespeichers 20 mit dem ersten Spannungsanschluss 22 erfolgt schaltbar über ein Leistungsschaltelement 23.
Die Batterie 1 umfasst ferner ein Batteriemanagementsystem (BMS) 24, das zur Überwachung, Regelung und zum Schutz des elektrochemischen Energiespeichers 20 bzw. jeder einzelnen seiner Li-lon-Zellen dient. Das BMS 24 umfasst ein Mikrocontrollersystem mit einer zugeordneten Messelektronik, mit der beispielsweise der Batteriestrom sowie die Spannungen und Temperaturen der einzelnen Lithium-Ionen-Zellen bzw. die des gesamten elektrochemischen Energiespeichers 20 erfasst und überwacht werden können. Das Mikrocontrollersystem ist eingerichtet, die messtechnisch erfassten Messwerte zu verarbeiten, so dass der aktuelle Ladezustand (engl. State of Charge, SoC) des Energiespeichers 20 mit den Lithium-Ionen-Zellen ermittelt werden kann. Das Mikrocontrollersystem stellt eine Datenschnittstelle 14 bereit, die aus einem Gehäuse der Batterie 1 herausgeführt und zum Anschluss an die CAN oder LIN basierte Datenleitung 4 in einem Kraftfahrzeug 10 anschließbar ist. Im Zusammenwirken mit einer Regelungseinrichtung eines Generators 7 kann das BMS 24 ein Lademanagement für die Batterie 1 bereitstellen.
Das BMS 24 ist über eine erste Steuerleitung 25 mit dem Leistungsschaltelement 23 verbunden, um verschiedene Schutzfunktionen für den elektrochemischen Energiespeicher 20 bzw. die Lithium-Ionen-Zellen bereitzustellen. Der positive Pol 201 des Energiespeichers 20 kann vom BMS 24 durch Ansteuern des Leistungsschaltelements 23 elektrisch von dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 getrennt werden. Im Zusammenhang mit einer eingangs genannten Tiefentladungsschutzfunktion steuert das BMS 24 das Leistungsschaltelement 23 an und trennt den positiven Pol 201 des Energiespeicher 20 vom ersten Versorgungsspannungsanschluss 22, sobald ein unterer Schwellwert für den SoC der Batterie 1 erreicht ist.
Das Leistungsschaltelement 23 kann als elektromechanischer Schalter beispielsweise als ein Schütz ausgebildet sein. Das Schütz, das auch als Hauptschütz (engl. main contactor) einer Batterie bezeichnet wird, kann auch zweipolig ausgebildet sein, so dass der positive Pol 201 und der negative Pol 202 des Energiespeichers 20 von dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 und von dem Masseanschluss 21 des ersten Anschlussklemmenpaars elektrisch trennbar sind. Das Leistungsschaltelement 23 kann auch als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Batterie 1 umfasst einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32, der über eine erste Schaltungseinrichtung 33 mit dem positiven Pol 201 des Energiespeichers 20 schaltbar verbunden ist. Dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 kann ein zweiter Masseanschluss 31 zugeordnet sein, so dass ein zweites Anschlussklemmenpaar bereitgestellt wird.
Der zweite Versorgungsspannungsanschluss 32 stellt einen zusätzlichen Kleinleistungsausgang (engl. Low Power Outlet, LPO) der Batterie 1 bereit, mit dem vom ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 unabhängig Strom und Spannung zur Versorgung ausgewählter Bordnetzkomponenten zum Beispiel des in der 1 dargestellten Zentralverriegelungsmodul 5 bereitstellbar ist. Am ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 und am zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 wird jeweils die gleiche Batterienennspannung von 12 V aus dem Energiespeicher 20 bereitgestellt. Der Unterschied zwischen den Spannungsanschlüssen besteht darin, dass der zweite Versorgungsspannungsanschluss 32 auf einen maximalen Ausgangstrom begrenzt ist, der sehr viel kleiner ist, als der maximale Ausgangsstrom des ersten Versorgungsspannungsanschlusses 22. Der erste Versorgungsspannungsanschluss 22 kann zum Beispiel Ausgangsströme von bis zu 800 A bereitstellen, wobei Stromspitzen von bis zu 1400 A möglich sind. Während eines Bereitschaftsbetriebs eines Kraftfahrzeuges können bis zu 25 mA Dauerstrom in das Kraftfahrzeugbordnetz abgegeben werden.
Der zweite Versorgungsspannungsanschluss 32 ist für eine dauerhafte Stromabgabe von maximal 2 mA vorgesehen, wobei eine Strombegrenzungseinrichtung der ersten Schaltungseinrichtung 33 kurzzeitig höherer Ströme erlauben soll.
Das BMS 24 der Batterie 1 ist eingerichtet, die Batterie 1 von einem Bereitschaftsmodus in einen Langzeitbereitschaftsmodus umzuschalten, sobald ein Umschaltkriterium dafür erfüllt worden ist. Ein Umschaltkriterium ist ein Ablauf eines Timers beispielsweise von 30 Tagen. Der Timer wird gestartet, wenn das BMS 24 über die Datenschnittstelle 14 aus dem CAN- bzw. LIN-Bus ein Verriegelungssignal von dem Zentralverriegelungsmodul 5 empfängt. Wird vor dem Ablauf des Timers ein Entriegelungssignal vom Zentralverriegelungsmodul 5 über die Datenschnittstelle 14 empfangen, wird der Timer gestoppt bzw. zurückgesetzt. Läuft der Timer ab, ist das Umschaltkriterium erfüllt und das BMS 24 steuert über die Steuerleitung 25 das Leistungsschaltelement 23 an, so dass eine Stromabgabe von 5 mA-25 mA über den ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 unterbrochen wird. Das Zentralverriegelungsmodul 5 wird mit einem kontinuierlichen Strombedarf von 1 mA bis 2 mA während seiner Empfangsbereitschaft über den zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 versorgt.
Das BMS 24 wird während eines Langzeitbereitschaftsmodus vorzugsweise zumindest teilweise deaktiviert, um den einen aus dem Energiespeicher 20 bereitgestellten Strom zwischen 1 mA und3 mA zu reduzieren. Bei einem deaktivierten Mikrocontrollersystem kann das BMS 24 einen kritischen unteren SoC nicht mehr überwachen. Um eine Tiefentladungsschutzfunktion auch während eines Langzeitbereitschaftsmodus bereitzustellen, ist eine zusätzliche Überwachungseinrichtung 34 vorgesehen. Diese umfasst beispielsweise eine analoge Komparator-Schaltung mit einem Operationsverstärker und einer Referenzspannungsschaltungseinrichtung, mit der ein Erreichen eines unteren Spannungswerts des Energiespeichers 20 detektiert werden kann. Der untere Spannungswert korrespondiert mit einem kritischen unteren SoC. Wird der untere Spannungswert erreicht, wird die erste Schaltungseinrichtung 33 über die dritte Steuerleitung 36 angesteuert, so dass der zweite Versorgungsspannungsanschluss 32 vom positiven Pol 201 des Energiespeichers 20 elektrisch getrennt wird. Der Langzeitbereitschaftsmodus wird in diesem Fall zu Gunsten einer Tiefentladungsschutzabschaltung beendet.
Empfängt das Zentralverriegelungsmodul 5 während eines Langzeitbereitschaftsmodus ein Funksignal 40 mit einem Entriegelungsbefehl von einer in den Figuren nicht dargestellten Schlüsselfernbedienung, so können entsprechende in den Figuren nicht dargestellte Zentralverriegelungsaktoren durch das Zentralverriegelungsmodul 5 im Kraftfahrzeug 10 zur Türentriegelung angesteuert werden. Ein von Zentralverriegelungsmodul 5 ausgegebener Steuerimpuls lasst seine Stromaufnahme kurzzeitig auf einen Wert oberhalb der während der Empfangsbereitschaft vorherrschenden 1-2 mA ansteigen. Der von der Batterie 1 über ihren zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 abgegebene Stromimpuls für die Entriegelung des Kraftfahrzeuges 10 könnte in der ersten Schaltungseinrichtung 33 oder in der Überwachungseinrichtung 34 mit entsprechenden Schaltungseinrichtungen detektiert werden, so dass über die zweite Steuerleitung 35 oder über die vierte Steuerleitung 37 ein Signal zum Reaktiveiern des BMS 24 ausgegeben werden kann.
Der Langzeitbereitschaftsmodus kann somit mit dem Empfang eines Entriegelungsbefehls von der Schlüsselfernbedienung komfortabel beendet werden, in dem das zumindest teilweise deaktivierte BMS 24 durch das Zentralverriegelungsmodul 5 aufgeweckt wird. Das reaktivierte BMS 24 kann das Leistungsschaltelement 23 über die erste Steuerleitung 25 ansteuern und schließen, so dass über den ersten Versorgungsspannungsanschluss 22 die Versorgungsspannung für die erste Versorgungsleitung 2 wieder bereitgestellt wird.
Das BMS 24 kann alternativ durch das Zentralverriegelungsmodul 5 direkt aufgeweckt werden, indem eine Aufweckfunktion in einem Transceiver für die Datenschnittstelle 14 des BMS 24 integriert wird. Während eines Langzeitbereitschaftsmodus kann vorgesehen sein, über die Datenleitung 4 keine Signale auszutauschen. Empfängt und verifiziert das Zentralverriegelungsmodul 5 einen gültigen Entriegelungsbefehl, so kann über die Datenleitung 4 ein Aufwecksignal an das BMS 24 der Batterie 1 gesendet werden.
In der 3 ist eine erste Ausführung der ersten Schaltungseinrichtung 33 einer erfindungsgemäßen Batterie 1. Die erste Schaltungseinrichtung 33 umfasst einen Eingangsspannungskontakt 331 der mit dem positiven Pol 201 des Energiespeichers 20 verbunden werden kann bzw. verbunden ist. Ein Ausgangsspannungskontakt 332 ist mit dem zweien Versorgungsspannungsanschluss 32 verbindbar bzw. verbunden. Ein Signaleingang 333 dient zur elektrischen Verbindung mit der Überwachungseinrichtung 34 über die dritte Steuerleitung 36. Die erste Schaltungseinrichtung 33 beinhaltet einen Leistungsschalter 336, der beispielsweise als Relais oder als Halbleiterschalter ausgebildet ist. Liegt an dem Signaleingang 333 ein Signal für eine Tiefentladungsschutzabschaltung an, so trennt der Leistungsschalter 336 den Eingangsspannungskontakt 331 von dem Ausgangsspannungskontakt 332.
Die erste Schaltungseinrichtung 33 enthält ferner eine Sicherung 335, beispielsweise eine Schmelzsicherung mit einem Nennstrom von 2 mA. Die Schmelzsicherung weist vorzugsweise eine träge Auslösecharakteristik auf, so dass ein auf 2 mA begrenzter Ausgangstrom des zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 der Batterie 1 kurzzeitig überschritten werden kann. Eine Diode 337 kann aus Sicherheitsgründen vorgesehen werden, um einen fehlerhaften, d.h. einen nicht gewünschten Ladestrom über den zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 zu unterdrücken.
Die 4 zeigt eine alternative zweite Ausführung der ersten Schaltungseinrichtung 33, die im Wesentlichen aus einem integrierten sogenannten Smart High-Side Power Switch besteht. Ein Smart High-Side Power Switch ist im Wesentlichen ein integrierter Schaltkreis mit einem Leistungs-MOS-Transistor zum Kontrollieren einer Versorgungsspannung und einer Steuer- und Diagnoseelektronik. Die in der 4 dargestellte alternative integrierte erste Schaltungseinrichtung 33 umfasst einen Eingangsspannungskontakt 331, einen Ausgangsspannungskontakt 332 und einen Signaleingang 333, die funktionell den Anschlüssen der bereits unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen ersten Ausführung entsprechen.
Der Integrierte Schaltkreis besitzt einen Leistungs-MOS-Transistor 3310, mit dem eine von dem Energiespeicher 20 bereitgestellte Spannung von dem Eingangsspannungskontakt 331 auf den Ausgangsspannungskontakt 332 durchgeschaltet werden kann. Mit einer Messeinrichtung 3311 kann der durch den Leistungs-MOS-Transistor 3310 fließende Laststrom kontinuierlich überwacht werden. Im Zusammenwirken mit einer Treiberlogik 3312 zur Ansteuerung des Leistungs-MOS-Transistors 3310 kann mit der Messeinrichtung 3311 eine Strombegrenzung für den zweiten Versorgungsspannungsanschluss 32 der Batterie 1 bereitgestellt werden. Auch ein Stromimpuls für die Entriegelung des Kraftfahrzeuges 10 könnte im Zusammenwirken von Messeinrichtung 3311 und Treiberlogik 3312 detektiert werden, so dass ein Signal zum Aufwecken des BMS 24 über einen Signalausgang 334 ausgegeben werden kann.
Obwohl der Gegenstand im Detail durch Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: erste Versorgungsleitung
3: zweite Versorgungsleitung
4: Datenleitung
5: Zentralverriegelungsmodul
6: Sicherung
7: Generator
8: Verbraucher
9: Sicherung
10: Kraftfahrzeug
14: Datenschnittstelle
20: elektrochemischer Energiespeicher
201: positiver Pol
202: negativer Pol
21: Masseanschluss
22: erster Versorgungsspannungsanschluss
23: Leistungsschaltelement
24: Batteriemanagementsystem (BMS)
25: erste Steuerleitung
31: Masseanschluss
32: zweiter Versorgungsspannungsanschluss
33: erste Schaltungseinrichtung
34: Überwachungseinrichtung
35: zweite Steuerleitung
36: dritte Steuerleitung
37: vierte Steuerleitung
331: Eingangsspannungskontakt
332: Ausgangsspannungskontakt
333: Signaleingang
334: Signalausgang
335: Sicherung
336: Leistungsschalter
337: Diode
3310: Leistungs-MOS-Transistor
3311: Messeinrichtung
3312: Treiberlogik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012211393 A1 [0006]

Claims

Batterie für ein Kraftfahrzeug (10), umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher (20), wenigstens einen Masseanschluss (21, 31), einen ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) und ein Batteriemanagementsystem (24), wobei ein positiver Pol (201) des Energiespeichers (20) über ein Leistungsschaltelement (23) schaltbar mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) verbunden ist und wobei das Leistungsschaltelement (23) durch das Batteriemanagementsystem (24) ansteuerbar ist, ferner umfassend einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss (32), der über eine erste Schaltungseinrichtung (33) mit dem positiven Pol (201) des Energiespeichers (20) elektrisch verbunden ist, wobei die erste Schaltungseinrichtung (33) eine Strombegrenzungseinrichtung umfasst.
Batterie gemäß dem vorstehenden Anspruch 1, wobei das Batteriemanagementsystem (24) einen Timer sowie eine Datenschnittstelle (14) umfasst, wobei das Batteriemanagementsystem (24) ausgebildet ist, den Timer in Abhängigkeit einer über die Datenschnittstelle (14) empfangenen ersten Fahrzeugbetriebszustandsinformation zu starten und wobei das Batteriemanagementsystem (24) ferner ausgebildet ist, das Leistungsschaltelement (23) in Abhängigkeit eines abgelaufenen Timers anzusteuern, um den positiven Pol (201) des Energiespeichers (20) von dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) elektrisch zu trennen.
Batterie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei das Batteriemanagementsystem (24) ausgebildet ist, einen Ladezustand des Energiespeichers (20) zu erfassen und das Leistungsschaltelement (23) in Abhängigkeit eines Unterschreitens einer ersten Ladezustandsschwelle anzusteuern, um die elektrische Verbindung zwischen dem positiven Pol (201) des Energiespeichers (20) und dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (22) zu trennen.
Batterie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei dem Batteriemanagementsystem (24) ferner eine zweite Schaltungseinrichtung zugeordnet ist, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines getrennten Leistungsschaltelements (23) eine Versorgungsspannung zumindest für Teile des Batteriemanagementsystems (24) zu unterbrechen.
Batterie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Überwachungseinrichtung (34), die ausgebildet ist, eine Spannung zwischen dem positiven Pol (201) und einem negativen Pol (202) des Energiespeichers (20) zu erfassen und mit einem unteren Spannungsschwellwert zu vergleichen.
Batterie gemäß dem vorstehenden Anspruch 5, wobei die Überwachungseinrichtung (34) ferner ausgebildet ist, die erste Schaltungseinrichtung (33) anzusteuern, um bei einem Unterschreiten des unteren Spannungsschwellwerts den positiven Pol (201) des Energiespeichers (20) von dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss (32) elektrisch zu trennen.
Batterie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 5 oder 6, wobei die Überwachungseinrichtung (34) eine analoge Komparator-Schaltung mit wenigstens einem Operationsverstärker und einer Referenzspannungsschaltungseinrichtung umfasst.
Batterie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, wobei die erste Schaltungseinrichtung (33) einen Leistungstransistor (3310), eine Messeinrichtung (3311) sowie eine Treiberlogik (3312) umfasst, wobei die Messeinrichtung (3311) ausgebildet ist, einen durch den Leistungstransistor (3310) fließenden Laststrom zu erfassen und wobei die Treiberlogik (3312) ausgebildet ist, den Leistungstransistor (3310) in Abhängigkeit des Laststroms und in Abhängigkeit eines Unterschreitens des unteren Spannungsschwellwerts anzusteuern.
Batterie gemäß dem vorstehenden Anspruch 8, wobei die erste Schaltungseinrichtung (33) mittels der Messeinrichtung (3311) ausgebildet ist, einen Stromimpuls zu erfassen und die wobei erste Schaltungseinrichtung (33) ferner ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines erfassten Stromimpulses ein Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem (24) zu senden.
Batterie gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Schaltungseinrichtung (33) eine Schmelzsicherung sowie einen elektromechanischen Leistungsschalter umfasst.
Kraftfahrzeugbordnetz umfassend eine erstes Teilbordnetz mit einer ersten Spannungsversorgungsleitung (2), ein zweites Teilbordnetz mit einer zweiten Spannungsversorgungsleitung (3) und eine Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1-10, wobei die erste Spannungsversorgungsleitung (2) mit einem erstem Versorgungsspannungsanschluss (22) der Batterie (1) verbunden ist und wobei die zweite Spannungsversorgungsleitung (3) mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss (32) der Batterie (1) verbunden ist, wobei die zweiten Spannungsversorgungsleitung (3) für einen geringeren maximalen Strom ausgelegt ist, als die erste Spannungsversorgungsleitung (2).
Kraftfahrzeug umfassend ein Kraftfahrzeugbordnetz gemäß dem vorstehenden Anspruch 11.