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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug.
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Insbesondere im Hinblick auf die Hybridisierung von Antriebssträngen sind zunehmend Kraftfahrzeugbordnetze notwendig, die parallel zu der in der Kraftfahrzeugtechnik üblichen 12 V Spannungsversorgung wenigstens eine zweite Versorgungsspannung bereitstellen, die auf den Leistungsbedarf und die Leistungsspitzen entsprechender elektrischer Antriebskomponenten abgestimmt ist. Für sogenannte Mild-Hybrid-Systeme wird ein 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz favorisiert, mit dem elektrische Lasten mit hoher Leistungsaufnahme mit einer Spannung von 48 V versorgt werden können.
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Aus dem Stand der Technik bekannte 48 V/12 V-Bordnetztopologien umfassen zwei Teilbordnetze, d.h. ein 12 V-Teilbordnetz und ein 48 V-Teilbordnetz. Die beiden Teilbordnetze sind mittels DC/DC-Wandler miteinander gekoppelt, der eine Übertragung elektrischer Leistung vom 48 V-Teilbordnetz in das 12 V-Teilbordnetz ermöglicht. Beide Teilbordnetze sind jeweils mit einer auf die jeweilige Nennspannung angepassten Batterie zur Speicherung elektrischer Energie ausgestattet. Während für das 12 V-Teilbordnetz in der Regel die in der Kraftfahrzeugtechnik etablierten Blei-Säure-Batterien verwendet werden, finden in den 48 V-Teilbordnetzen Batterien mit Lithium-Ionen-Zellen Anwendung. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich gegenüber Blei-Säure-Batterien durch eine vergleichsweise hohe Lade- und Entladestrom sowie durch eine hohe Ladeakzeptanz aus. Daher eignen sich Lithium-Ionen-Batterien insbesondere zum Speichern von rekuperierter Bremsenergie. Die gespeicherte Energie kann für den elektrischen Teilantrieb und zur Versorgung des Bordnetzes wieder abgegeben werden.
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Aus
DE 10 2016 220 120 A1 ist ein Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das eine Reihenschaltung mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von Batteriezellen mit einer ersten Teil-Strangspannung und einer größeren zweiten Teil-Strangspannung besitzt. Über einen Spannungsabgriff ist die erste Teil-Strangspannung abgreifbar. An einem weiteren Spannungsabgriff liegt eine Strangspannung aus der ersten und der zweiten Teil-Strangspannung an. An einer Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers liegt die größere zweite Teil-Strangspannung an und an einer zur Eingangsseite galvanisch getrennten Ausgangsseite liegt die erste Teil-Strangspannung an.
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Die
DE 10 2015 219 589 A1 offenbart Fahrzeugbatterievorrichtung mit einer Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Zellenstapel eines Akkumulator und einem Zwischenabgriff. Eine erste Wandlerseite eines DC/DC-Wandlers kann mit dem ersten Akkumulator verbunden, eine zweite Wandlerseite kann mit dem zweiten Zellenstapel verbunden sein.
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Die
DE 10 2014 226 391 A1 beschreibt ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem ersten Energiespeicher für eine erste Spannungsebne, wobei eine zweite Spannungsebene mit einem zum ersten Energiespeicher in Reihe geschalteten zweiten Energiespeicher und einem zum zweiten Energiespeicher parallelgeschalten DC/DC-Wandlers erzeugt wird.
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Aus der
DE 10 2012 016 168 A1 ist eine ein Energieversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt, das eine Reihenschaltung mit zwei Batterie-Einheiten sowie einem ersten und einem zweiten Spannungsabgriff zum Bereitstellen einer ersten und zweiten Ausgabespannung besitzt. Ein DC/DC-Wandler ist eingangseiteig mit einem Generator und dem ersten Spannungsabgriff parallel geschaltet. Ausgangsseitig ist der DC/DC-Wandler mit dem zweiten Spannungsabgriff parallelgeschaltet. Eine Regelungseinheit ist ausgebildet, eine Generator-Ausgabespannung und eine Wandler-Ausgabespannung derart zu regeln, dass der Strom durch die Batterie-Einheiten gleich groß ist.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine alternative Bordnetztopologie für ein 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz bereitzustellen.
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Vorgeschlagen wird dementsprechend ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch. Weiterführende Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, das eine erste Fahrzeugbatterie mit einer ersten Batteriespannung und eine zweite Fahrzeugbatterie mit einer zweiten Batteriespannung sowie einen Generator umfasst. Eine erste Gruppe elektrischer Lasten ist zum Betrieb mit einer ersten Bordnetzspannung ausgebildet und eine zweite Gruppe elektrischer Lasten ist zum Betrieb mit einer zweiten Bordnetzspannung ausgebildet. Die erste Fahrzeugbatterie und die zweite Fahrzeugbatterie bilden eine Reihenschaltung. Der Generator sowie die zweite Gruppe elektrischer Lasten sind jeweils zu der Reihenschaltung aus der ersten Fahrzeugbatterie und der zweiten Fahrzeugbatterie parallel geschaltet. Die erste Gruppe elektrischer Lasten ist zu der ersten Fahrzeugbatterie parallel geschaltet. Die erste Fahrzeugbatterie und die zweite Fahrzeugbatterie besitzen zueinander unterschiedliche Typen elektrochemischer Zellen. Ein nicht-invertierender Abwärtswandler ist eingangsseitig mit dem Generator parallel geschaltet. Der nicht-invertierender Abwärtswandler ist ferner ausgangsseitig mit der ersten Fahrzeugbatterie parallel geschaltet und dazu ausgebildet, einen Ladestrom für die erste Fahrzeugbatterie bereitzustellen. Ein Generatorstrom ist mittels eines Reglers innerhalb einer Steuereinrichtung regelbar.
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Mit der Reihenschaltung, bestehend aus den zwei Fahrzeugbatterien mit der ersten und zweiten Batteriespannung, können gegenüber einem gemeinsamen Massepotential die zwei Bordnetzspannungen bereitgestellt werden. Bei einem nicht aktiven Generator entspricht die erste Bordnetzspannung der ersten Batteriespannung und die zweite Bordnetzspannung der Summe aus der ersten und der zweiten Batteriespannung. Bei einem aktiven Generator, insbesondere zum Bereitstellen eines Ladestromes zum Laden der Batterien, wird die zweite Bordnetzspannung durch den Generator erhöht. Durch die Innenwiderstände der beiden Fahrzeugbatterien, die einen Spannungsteiler bilden, stellt sich zwischen der ersten und der zweiten Bordnetzspannung ein Spannungsverhältnis ein, das dem Verhältnis der Batteriespannungen entspricht.
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Die Batteriespannungen können über die Anzahl der elektrochemischen Zellen und über die Zellspannung eines ausgewählten elektrochemischen Zelltyps beeinflusst werden. Ein Vorteil der zwei unterschiedlichen elektrochemischen Zelltypen ist, dass sich die beiden Fahrzeugbatterien mit unterschiedlichen Stromaufnahmeeigenschaften gegenseitig ergänzen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die erste Fahrzeugbatterie eine Blei-Säure-Batterie sein. Die erste Batteriespannung kann vorzugsweise nominell 12 V betragen.
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Mit dem Begriff der nominellen Batteriespannung wird berücksichtigt, dass eine aktuelle Batteriespannung stets vom Ladezustand der Batterie abhängt und um eine Nennspannung herum variieren kann. Blei-Säure-Batterien stellen einen Standard für 12 V Systeme in der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere für Personenkraftwagen dar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die zweite Fahrzeugbatterie eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Die zweite Batteriespannung kann vorzugsweise nominell 36 V betragen.
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Lithium-Ionen-Batterien haben eine höhere Lade- und Entladeleistung als Blei-Säure-Batterien, so dass in Hybrid-Anwendungen kurzeitig große Ströme abgegeben bzw. aufgenommen werden können, die beispielsweise bei Boost-Vorgängen und bei der Energierückgewinnung auftreten. Im Vergleich zu bekannten 48 V/12 V-Bordnetztopologien, bei denen eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Nennspannung von 48 V zur Stützung des 48 V Teilbordnetzes notwendig ist, kommt die erfindungsmäße Bordnetztopologie mit einer Lithium-Ionen-Batterie mit 36 V Nennspannung aus. Entsprechend benötigt die Lithium-Ionen-Batterie gemäß der erfindungsgemäßen Bordnetztopologie eine geringere Anzahl von elektrochemischen Zellen als bekannte 48 V/12 V-Bordnetze.
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Das erfindungsgemäße Bordnetz mit einer Reihenschaltung aus einer 36 V Lithium-Ionen-Batterie und einer 12 V Blei-Säure-Batterie stellt durch die Einsparung von nicht notwendigen Lithium-Ionen-Zellen eine Kostenersparnis gegenüber bekannten Bordnetzen dar.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der Ladestrom zum Laden der Blei-Säure-Batterie über die Lithium-lonen-Batterie fließen kann. Die Spannungsanpassung zwischen der 48 V und der 12 V Spannungsebene erfolgt über die Innwiderstände der beiden Batterien entsprechend der Spannungsteilerregel. Somit kann, zumindest in bestimmten Betriebszuständen, eine Spannungsanpassung zwischen dem 12 V- und dem 48 V-Teilbordnetz ohne einen DC/DC-Wandler erfolgen.
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Bordnetztopologien mit einem 12 V- und einem 48 V-Teilbordnetz sind insbesondere für Personenkraftwagen mit einem sogenannten Niedervolt-Hybridantrieb bzw. Mild-Hybrid-Systemen geeignet, da sich die beiden Teilbordnetz-Nennspannungen als Standard etabliert haben. Grundsätzlich können mit eine entsprechenden Reihenschaltung einer Blei-Säure-Batterie und einer Lithium-Ionen-Batterie auch andere Nennspannungen für die Teilbordnetze realisiert werden. Insbesondre wäre Reihenschaltungen aus einer 12 V Blei-Säure-Batterie mit einer 50 V- oder einer 60 V Lithium-Ionen-Batterie denkbar, um 62 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetze oder 72 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetze oder weitere gewünschte Kombinationen bereitzustellen. Im Zusammenhang mit Nutzfahrzeugen ist auch ein Kombination aus einer 24 V Blei-Säure-Batterie mit einer Lithium-Ionen-Batterie denkbar, deren Nennspannung entsprechen ausgewählt werden kann.
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Der als nicht-invertierender Abwärtswandler ausgeführte Gleichspannungswandler ermöglicht auch dann ein Laden der ersten Fahrzeugbatterie, wenn über die zweite Fahrzeugbatterie kein Strom bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel kann eine Lithium-Ionen-Batterie, die als zweite Fahrzeugbatterie verwendet wird, bei hohen Ladezuständen, d.h. SOC>95%, nur noch kleine Ströme aufnehmen, die zum Laden einer Blei-Säure-Batterie als erste Fahrzeugbatterie nicht ausreichend ist.
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Ein entsprechender Gleichspannungswandler muss gegenüber den DC/DC-Wandlern bekannter Bordnetztopologien nicht im Dauerbetrieb arbeiten.
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Der als nicht-invertierender Abwärtswandler ausgeführte Gleichspannungswandler setzt somit die an seinem Eingangskreis anliegende 48 V Nennspannung des Generators auf eine Ausgangsspannung von 12 V herunter.
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Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, mit Steuergeräten im Kraftfahrzeugbordnetz inklusive einem Batteriemanagementsystem bzw. einem Batteriesensor und einer Steuerung des Gleichspannungswandlers zu kommunizieren, um mittels Strombilanzierung einen Sollwert für den bereitzustellenden Generatorstrom zu ermitteln. Alternativ zu einer Strombilanzierung ist auch eine Leistungsbilanzierung möglich.
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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 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein erfindungsgemäßes 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Reihenschaltung aus einer 36 V Lithium-Ionen-Batterie und einer 12 V Blei-Säure-Batterie.
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In der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Architektur für ein 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz dargestellt. Das Kraftfahrzeugbordnetz umfasst zwei Teilbordnetze, wobei jedes Teilbordnetz eine Anzahl von elektrischen Lasten R1, R2 umfasst. Das erste Teilbordnetz stellt die erste Bordnetzspannung V1 mit einem Nennwert von 12 V bereit, die zur Versorgung einer ersten Gruppe elektrischer Lasten R1 dient. Dieses 12 V-Teilbordnetz ist auf der rechten Seite des Schaltbildes angeordnet dargestellt. Das zweite Teilbordnetz - im Weiteren als 48 V-Teilbordnetz bezeichnet - stellt die zweite Bordnetzspannung V2 mit einem Nennwert von 48 V zur Versorgung der zweiten Gruppe elektrischer Lasten R2 bereit und ist links im Schaltbild dargestellt.
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Die beiden Teilbordnetze sind über den Gleichspannungswandler 4 miteinander gekoppelt, so dass ein Stromfluss bzw. eine Leistungsübertragung unter Anpassung der beiden Bordnetzspannungen zwischen den beiden Teilbordnetzen möglich ist. Beide Teilbordnetze besitzen ein gemeinsames Bezugspotential, d.h. die gemeinsame Masseleitung GND, die beispielsweise durch elektrisch leitfähige Karosseriekomponenten bereitgestellt werden kann.
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Das 12 V-Teilbordnetz beinhaltet neben den ersten Lasten R1, die vereinfacht als Ohm'scher Widerstand im Schaltbild dargestellt sind, auch die Blei-Säure-Batterie 1 zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Blei-Säure-Batterie 1 stellt eine erste Batteriespannung VB1 mit einem Nennwert von 12 V zur Versorgung der ersten Lasten R1 bereit, die zwischen der Versorgungsleitung 21 und der gemeinsame Masseleitung GND anliegt.
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Das 48 V-Teilbordnetz umfasst den Generator 5, der zur elektrischen Energiegewinnung für das Kraftfahrzeugbordnetz mit einem nicht dargestellten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges gekoppelt ist. Mit dem Generator 5 kann ein elektrischer Strom mit einer Nennspannung von 48 V bereitgestellt werden, wobei diese Generatorausgangsspannung UG zwischen der zweiten Versorgungsleitung 22 und der gemeinsamen Masse GND anliegt. Das 48 V-Teilbordnetz umfasst ferner die Lithium-Ionen-Batterie 3, die eine zweite Batteriespannung VB3 mit einem Nennwert von 48 V bereitstellt.
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Der Gleichspannungswandler 4 ist eingangsseitig zu dem Generator 5, den zweiten Lasten R2 und der Lithium-Ionen-Batterie 3 parallel geschaltet. Ausgangseitig bildet der Gleichspannungswandler 4 eine Parallelschaltung mit der Blei-Säure-Batterie 1 und den ersten Lasten R1. Der Gleichspannungswandler 4 ermöglicht einen Stromfluss bzw. eine Übertragung elektrischer Leistung von dem 48 V-Teilbordnetz in das 12 V-Teilbordnetz.
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Die Bordnetzspannungen V1 und V2 in den beiden Teilbordnetzen variieren in einem bestimmten Bereich um ihre jeweiligen Nennspannungswerte. Bei einem nicht aktiven Generator 5 nehmen die Bordnetzspannungen VB1 und VB2 den Wert der jeweilig aktuellen Batteriespannung VB1, VB3 an, der unter anderem von dem Ladezustand (engl. State of Charge, SOC) abhängt. Im Generatorbetrieb werden die Bordnetzspannungen VB1 und VB2 über ein elektronisches Steuergerät 6 kontrolliert, wobei das Steuergerät 6 beispielsweise ein Motorsteuergerät (engl. Engine Control Unit, ECU) sein kann. Die erste Bordnetzspannung V1 im 12 V-Teilbordnetz kann beispielsweise mit einem der Blei-Säure-Batterie 1 zugeordneten intelligenten Batterie-Sensor (IBS) gemessen werden. Die zweite Bordnetzspannung V2 im 48 V-Teilbordnetz kann von einem in der Lithium-Ionen-Batterie 3 integrierten Batteriemanagementsystem (engl. Battery Management System, BMS) erfasst werden. Grundsätzlich können auch andere Steuergeräte, die im einem der beiden Teilbornetze angeordnet sind, die Bordnetzspannungen V1 bzw. V2 erfassen und die Messwerte an das Steuergerät 6 übermitteln.
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Die aktuellen Sollwerte für die beiden Bordnetzspannungen V1 und V2 werden abhängig von einer Betriebsstrategie bestimmt, die unter anderem von dem Ladezustand (SOC) der beiden Fahrzeugbatterien 1, 3 abhängig ist. Sofern Leistung vom Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges zum Laden der Batterien bereitgestellt werden kann und die Lithium-Ionen-Batterie 3 nicht vollständig geladen ist (SOC < 100%) wird der Sollwert für die zweite Bordnetzspannung V2 auf eine Spannung oberhalb der aktuellen Batteriespannung VB3 angehoben. Somit kann ein Strom aus dem 48 V-Teilbordnetz zum Laden durch die Lithium-Ionen-Batterie 3 fließen.
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Ferner kann der Gleichspannungswandler 4 von dem Steuergerät 6 angesteuert werden, so dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 4 für das 12 V-Teilbordnetz variierbar ist. Zum Laden der Blei-Säure-Batterie 1 kann der Sollwert für die zweite Bordnetzspannung V1 beispielsweise auf 14 V angehoben werden, die einen Ladestrom in die Blei-Säure-Batterie 1 bewirken kann.
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Beide Teilbordnetze des konventionellen 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetzes sind spannungsgeregelt, wobei entsprechende Regeleinrichtungen von dem Generator 5, dem Gleichspannungswandler 4 und/oder dem elektronischen Steuergerät 6 bereitgestellt werden können.
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In der 2 ist ein erfindungsgemäßes 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz 10 dargestellt. Das 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz 10 umfasst die erste Versorgungsleitung 11, an der die erste Bordnetzspannung V1 gegenüber der gemeinsamen Masse GND bereitgestellt wird, die eine Nennspannung von 12 V haben soll. An der zweiten Versorgungsleitung 12 wird die zweite Bordnetzspannung V1 gegenüber der Masse GND mit einer Nennspannung von 48 V bereitgestellt.
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Der Ohm'sche Widerstand R1 symbolisiert eine erste Gruppe elektrischer Lasten, die zwischen der ersten Versorgungsleitung 11 und der Masse GND geschaltet sind. Eine zweite Gruppe elektrischer Lasten wird durch den Widerstand R2 repräsentiert, die zwischen der zweiten Versorgungsleitung 12 und der Masse GND geschaltet sind. Somit wird die erste Gruppe elektrischer Lasten R1 mit einer Nennspannung von 12 V versorgt und die zweite Gruppe elektrischer Lasten R2 mit einer Nennspannung von 48 V. Der Generator 5 ist zwischen der zweiten Versorgungsleitung 12 und Masse GND geschaltet, der eine Nennspannung von 48 V bereitstellt. Mit dem Generator kann Energie aus einem nicht dargestellten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges für das Kraftfahrzeugbordnetz gewonnen werden.
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Der positive Anschlusspol der Blei-Säure-Batterie 1 ist mit der ersten Versorgungsleitung 11 verbunden, der negative Pol mit der Masse GND. Die Blei-Säure-Batterie 1 stellt somit eine erste Batteriespannung VB1 mit einem Nennwert von 12 V bereit, die zur Energieversorgung der parallel geschalteten ersten Gruppe elektrischer Lasten R1 mit der Bordnetzspannung V1 dienen kann. Die Lithium-Ionen-Batterie 2 stellt eine zweite Batteriespannung VB2 mit einem Nennwert von 36 V bereit. Der positive Anschlusspol der Lithium-Ionen-Batterie 2 ist mit der zweiten Versorgungsleitung 12, und der negative Anschlusspol ist mit der ersten Versorgungsleitung 12 verbunden. Zwischen der zweiten Versorgungsleitung 12 und der Masse GND wird somit eine Reihenschaltung aus der Lithium-Ionen-Batterie 2 und der Blei-Säure-Batterie 1 gebildet, wodurch zwischen der zweiten Versorgungsleitung 12 und der Masse GND die zweite Versorgungsspannung V2 für die zweite Gruppe elektrischer Lasten R2 bereitgestellt wird.
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Arbeitet das Kraftfahrzeugbordnetz 10 im Generatorbetrieb, liefert der Generator 5 einen Generatorstrom IG und eine Generatorspannung UG, wobei der Generatorstrom IG bzw. die Generatorausgangsleistung mit einem Regler innerhalb des elektronischen Steuergerätes 6 geregelt wird. Der Sollwert für Generatorstrom IG ergibt sich aus dem Strombedarf des Kraftfahrzeugbordnetzes, der sich im Wesentlichen aus der Summe der Ströme durch die Lasten I1 und I2 sowie aus den Batterieströmen IB1 und IB2 zum Laden der Batterien ergibt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbordnetz 10 beinhaltet ferner einen DC/DC-Wandler 4, der in bestimmten Betriebszuständen einen von der Lithium-Ionen-Batterie 2 unabhängigen ersten Batteriestrom IB1 zum Laden der Blei-Säure-Batterie 1 und einen unabhängigen ersten Strom I1 zur Versorgung der ersten Gruppe von Lasten R1 ermöglicht. Grundsätzlich ist es möglich, den ersten Batteriestrom IB1 zusammen mit dem ersten Strom I1 für die erste Gruppe von Lasten R1 über die Lithium-Ionen-Batterie 2 in die erste Versorgungsleitung 11 zu führen. Ein maximal zulässiger zweiter Batteriestrom IB2 ist u. a. vom aktuellen Ladezustand und der aktuellen Betriebstemperatur der Lithium-Ionen-Batterie 2 abhängig.
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Bei hohen Ladezuständen der Lithium-Ionen-Batterie 2, zum Beispiel bei SOC ≥ 95%, muss der zweite Batteriestrom IB2 ggf. auf einen Wert unterhalb der Summe der beiden benötigten Ströme zum Laden der Blei-Säure-Batterie 1 und zur Versorgung der ersten Gruppe von Lasten R1 begrenzt werden, um die Lithium-Ionen-Batterie 2 vor einer Überladung und ggf. einer Zerstörung zu schützen. Um in derartigen Betriebszuständen dennoch die Blei-Säure-Batterie zu laden bzw. die erste Gruppe von Lasten R1 mit Strom zu versorgen, kann von dem DC/DC-Wandler 4 ein entsprechend ausreichender Ausgangsstrom lout in die erste Versorgungsleitung 11 eingeprägt werden.
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Der DC/DC-Wandler kann in unterschiedlichen Konfigurationen ausgeführt sein. In einer ersten Ausführung kann ein nicht invertierender Abwärtswandler (engl. buck converter) eingesetzt werden, der eingangsseitig mit der zweiten Versorgungsleitung 12 und Masse GND verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Abwärtswandler mit der ersten Versorgungsleitung 11 und Masse GND verbunden. In dieser Konfiguration kann im Geratorbetrieb die 48 V Eingangsspannung am Wandler auf eine 12 V Ausgangsspannung heruntergesetzt werden.
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Ein invertierender Abwärtswandler kann eingangsseitig mit der zweiten Versorgungsleitung 12 und der ersten Versorgungsleitung 11 verbunden sein und ausgangsseitig mit der ersten Versorgungsleitung 11 und der Masse GND. Die erste Versorgungsleitung 11 bildet somit das gemeinsame Bezugspotential zwischen Eingangs- und Ausgangskreis des invertierenden Abwärtswandlers. Die Eingangsspannung des Abwärtswandlers beträgt 36 V und wird von der Lithium-Ionen-Batterie 2 bereitgestellt. Ausgangsseitig wird eine Spannung von 12 V zwischen der ersten Versorgungsleitung 11 und der Masse GND bereitgestellt. Diese Konfiguration ermöglicht ein Laden der Blei-Säure-Batterie 1 mit einem Ladestrom, der von der Lithium-Ionen-Batterie 2 bereitgestellt wird. Somit ist auch bei einem nicht aktiven Generator 5 ein Laden der Blei-Säure-Batterie 1 möglich.
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Während ein in der 1 dargestelltes konventionelles 48 V/12 V-Kraftfahrzeugbordnetz 20 spannungsgeregelt ist, wird der Generator 5 und der DC/DC-Wandler 4 des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbordnetzes 10 strom- bzw. leistungsgeregelt. Die Ausgangsspannung des Generators 5 und der Generatorstrom IG wird vom elektronischen Steuergerät 6 anhand einer Strom- bzw. Leistungsbilanzierung innerhalb des Kraftfahrzeugbordnetzes 10 ermittelt. Von einem integrierten Batteriemanagementsystem in der Lithium-Ionen-Batterie 2 kann abhängig vom Ladezustand (SOC) ein Wert für den benötigten zweiten Batteriestrom IB2 ermittelt und an das elektronischen Steuergerät 6 weitergeleitet werden. Ein Wert eines von der Blei-Säure-Batterie 1 benötigten ersten Batteriestroms IB1 kann beispielsweise mittels eines der Batterie zugeordneten intelligenten Batterie-Sensors (IBS) ermittelt und an das elektronische Steuergerät 6 weitergeleitet werden. Der Strombedarf aller elektrischen Lasten innerhalb des Kraftfahrzeugbordnetzes 10 kann beispielsweise durch die zugehörigen Steuergeräte ermittelt und entsprechend an das elektronische Steuergerät 6 weitergeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blei-Säure-Batterie
- 2
- Lithium-Ionen-Batterie
- 3
- Lithium-Ionen-Batterie
- 4
- DC-DC-Wandler
- 5
- Generator
- 6
- Steuerungseinrichtung
- 10
- Kraftfahrzeugbordnetz
- 11
- erste Versorgungsleitung
- 12
- zweite Versorgungsleitung
- 20
- Kraftfahrzeugbordnetz
- 21
- erste Versorgungsleitung
- 22
- zweite Versorgungsleitung
- R1
- erste Lasten
- R2
- zweite Lasten
- V1
- erste Bordnetzspannung
- V2
- zweite Bordnetzspannung
- VB1
- erste Batteriespannung
- VB2
- zweite Batteriespannung
- VB3
- dritte Batteriespannung
- UG
- Generatorspannung
- IG
- Generatorstrom
- 11
- erster Strom
- I2
- zweiter Strom
- lin
- Eingangsstrom
- lout
- Ausgangsstrom
- IB1
- erster Batteriestrom
- IB2
- zweiter Batteriestrom