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WO2016083295A1 - Mehr-energiespeicher-system für kraftfahrzeugbordnetze - Google Patents

Mehr-energiespeicher-system für kraftfahrzeugbordnetze Download PDF

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Publication number
WO2016083295A1
WO2016083295A1 PCT/EP2015/077342 EP2015077342W WO2016083295A1 WO 2016083295 A1 WO2016083295 A1 WO 2016083295A1 EP 2015077342 W EP2015077342 W EP 2015077342W WO 2016083295 A1 WO2016083295 A1 WO 2016083295A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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vehicle
energy
electrical system
energy storage
energy store
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/077342
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Moritz Schindler
Markus MAUERER
Axel Reinfelder
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority to CN201580052989.3A priority Critical patent/CN107078535B/zh
Publication of WO2016083295A1 publication Critical patent/WO2016083295A1/de
Priority to US15/601,589 priority patent/US20170264136A1/en

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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
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Definitions

  • Multi-energy storage system for motor vehicle electrical systems Multi-energy storage system for motor vehicle electrical systems
  • the invention relates to a method and a corresponding device for providing a plurality of electrical energy stores in a vehicle electrical system of a vehicle.
  • a vehicle especially a road vehicle such as a bicycle
  • an on-board electrical system configured to supply one or more electrical loads of the vehicle with electrical energy from a store of electrical energy (e.g., from a low-voltage battery).
  • the use of a plurality of energy stores in the vehicle electrical system may be advantageous, e.g. around the life of each
  • one or more further energy stores eg one or more lithium batteries
  • a generator of the vehicle eg from an alternator
  • an electrical system for a vehicle (in particular for a road vehicle, for example for a passenger car, a truck or a motorcycle) is described.
  • the electrical system comprises a first energy storage and a second energy storage.
  • the first energy store and the second energy store can be arranged parallel to one another in the vehicle electrical system, possibly via a coupling element, which can wholly or partially damp a connection between the first energy store and the second energy store.
  • the first energy store has a first maximum rest voltage
  • Full charge of the first energy storage and the second energy storage device has a second maximum rest voltage at full charge of the second
  • the second maximum rest voltage is higher than the first maximum rest voltage.
  • the region between the first maximum rest voltage and the second maximum rest voltage can be used to charge electrical energy (possibly cyclically) into the second energy store and / or remove it from the second energy store, without removing the first energy store by charging currents or discharge currents to charge.
  • the second maximum rest voltage may be less than or equal to a maximum allowable voltage of the first energy store.
  • Vehicle electrical system voltage is damaged up to the second maximum open circuit voltage.
  • the second energy store may also have a second maximum rest voltage that exceeds the maximum allowable voltage of the first energy store. There is then a capacity range of the second energy store, which remains unused. This can be advantageous in terms of the lifetime of the second energy store.
  • Energy storage to be less than the first maximum rest voltage of the first energy storage.
  • both energy storage can be used simultaneously to absorb energy and / or for the electrical system
  • the first energy store can be set up to provide electrical standstill and / or starting energy for the vehicle.
  • the second energy store may be configured to store and provide electrical energy in a cyclical manner.
  • the second energy storage (compared to the first energy storage) on a higher cycle stability.
  • the second energy storage may be designed to have a capacity loss of not more than 20% and a power loss of at most 50% at 3000 or more full cycles (corresponding to a discharging charge conversion of at least 3000 times the rated capacity).
  • a clear assignment of tasks to the first energy storage and to the second energy storage makes it possible to use optimized battery technologies for the respective tasks, without the operation of the electrical system causing excessive damage / shortening of the service life of the first or second Energy storage comes. In particular, damage can be minimized and life can be maximized. Furthermore, cost-optimized technologies can be used for the respective task. Overall, such a reliable and cost-effective electrical system can be provided.
  • a second energy store having one or more of the following properties may be used.
  • a second energy storage can be used, which has a nominal capacity of at most 25 Ah. It has been shown that for the cyclic uptake / release of electrical energy (especially for recuperated electrical energy) the o.g. Capacity is sufficient. It can thus be provided a cost-efficient second energy storage.
  • electrical energy may be provided at a charging voltage in or above a buffer voltage range, wherein the buffer voltage range is above the first maximum open circuit voltage.
  • the second energy storage can in this buffer voltage range a
  • the second energy storage device can have a ratio of
  • the second energy store may have an internal resistance of 6.5 mOhm or less, in particular at a charge state of about 50% and an operating temperature of about 25 ° C. Such internal resistances can ensure that even relatively high recuperation currents can be used completely for charging the second energy store.
  • the second energy storage may have a charge acceptance capability higher than that at operating temperatures of 0 ° C or less
  • Charge absorption capacity of the first energy storage Typically, the charge acceptance capacity of energy storage drops with decreasing temperature. As a result, partial discharge of the first energy store can take place, especially at relatively low operating temperatures and with relatively short operating phases of the vehicle, which can no longer be fully charged during driving operation. Due to the increased charge-receiving capacity of the second energy storage can absorb a relatively high amount of electrical energy even with short operating phases. This electrical energy can then be released (for example in a rest phase of the vehicle) due to the parallel connection at least partially from the second energy store to the first energy store. The first energy storage can be so even with short
  • the first energy storage may include one or more battery cells based on lead-acid technology.
  • capacity for the tasks assigned to the first energy store can be provided in an efficient manner.
  • a first energy storage may be provided having a first maximum rest voltage equal to or less than about 13V.
  • the second energy store may include one or more of the following components or configurations. For example, several of the following components may be arranged parallel to each other.
  • a second energy store can be provided, which has a second maximum rest voltage, which is higher than the first maximum rest voltage.
  • a second energy store can be provided, which has a second minimum rest voltage, which is smaller than the first maximum rest voltage. It is thus possible to provide a second energy store which can receive or deliver electrical energy in a cyclical manner (for example in the recuperation mode of the vehicle) without burdening the first energy store.
  • the second maximum rest voltage of the second energy store may also assume values above the typical maximum system voltage of 15.5-16V. This voltage range can then remain unused. However, it may be for the
  • Life of the second energy storage be advantageous if it is not operated to its maximum rest voltage (i.e., to full charge).
  • the second energy store may comprise ten series-connected cells based on nickel-metal-hydride technology.
  • the second energy store may comprise a series connection of four cells based on lithium-ion technology with a metal oxide cathode, in particular a nickel-manganese-cobalt (NMC) cathode and / or a lithium-manganese oxide (LMO) cathode, and with a carbon-based anode.
  • the second energy store may comprise a series connection of four cells based on lithium-ion technology, with a lithium iron phosphate cathode (LFP) and with a carbon-based anode.
  • LFP lithium iron phosphate cathode
  • the second energy store may comprise a series circuit of six cells based on lithium-ion technology with a metal oxide cathode, in particular a nickel-manganese Cobalt (NMC) cathode and / or a lithium manganese oxide (LMO) cathode, and with an lithium titanate (LTO) based anode.
  • the second energy store may comprise a series connection of eight cells based on lithium-ion technology, with a lithium iron phosphate cathode (LFP) and an lithium-titanate (LTO) -based anode.
  • the electrical system may further comprise a generator which is adapted to generate electrical energy for the electrical system.
  • the generator can be driven in particular temporarily by wheels of the vehicle and the connected drive train, especially when the vehicle is in recuperation mode, is converted in the kinetic energy of the vehicle by the generator into electrical energy.
  • the generator may be configured to generate electrical energy at different voltages.
  • electrical energy can be generated with a charging voltage that is in or above a buffer voltage range, wherein the buffer voltage range is preferably between the first maximum rest voltage (in particular above the first maximum rest voltage) and the second maximum rest voltage.
  • the buffer voltage range if appropriate exclusively, can comprise standby voltages between 13 V (in particular greater than 13 V) and 16 V. It can thus be ensured that recuperated electrical energy is absorbed exclusively by the second energy store (when the first energy store is fully charged). Even after a recuperation operation, the on-board voltage is typically greater than the first maximum
  • the electrical system may include a control unit that is configured to detect a recuperation operation of the vehicle. For example, it can be detected that a brake pedal of the vehicle is actuated and / or that a
  • Accelerator pedal angle is less than or equal to a certain angle threshold and the internal combustion engine is thus in towing mode.
  • the control unit may be further configured to cause the generator to generate electrical energy, possibly exclusively, in or above the buffer voltage range while the vehicle is stationary
  • recuperation operation is. As already stated, it can thus be ensured that recuperated electrical energy is absorbed primarily by the second energy store and, following the recuperation, is released again from the second energy store to the vehicle electrical system. Thus, the first energy storage is almost not burdened by the cyclic recuperation operation.
  • the electrical system may comprise a separating element, which is set up to prevent a flow of current between the second energy storage and the electrical system.
  • the separating element may comprise an electrical and / or a mechanical switch.
  • the separating element may be arranged on the ground side and / or on the positive side in relation to the second energy store.
  • the control unit may be configured to determine the presence of one or more separation conditions. Furthermore, the control unit can be set up, in the presence of one or more separation conditions, to cause the separating element to prevent the flow of current between the second energy store and the vehicle electrical system.
  • the one or more separation conditions may include one or more of the following conditions.
  • a first separation condition the first one
  • the second energy store has a state of charge equal to or greater than a predefined second charge threshold.
  • the second energy store may have a rest voltage which is higher than the first maximum rest voltage (eg by at least one predefined rest voltage)
  • Separating element can be avoided that takes place by electrical energy from the second energy storage, an overload of the first energy storage. It can thus be protected the first energy storage and energy losses can be avoided.
  • a second separation condition there is an indication that electrical energy is to be provided for an emergency start of the vehicle.
  • the vehicle may be at rest. It can e.g. be recognized that the state of charge of the second energy storage under a predefined
  • Threshold has dropped.
  • electrical energy can be stored from the second energy store for an emergency start.
  • the separating element can reconnect the second energy store for activation of a starter of the vehicle to the vehicle electrical system. It can thus be guaranteed even after prolonged service life and / or high static discharge a start of the vehicle.
  • the electrical system can be equipped with a bridgeable auxiliary resistor (also called
  • Coupling element referred) include, the on-board network in a first part with the first energy store and in a second part with the second
  • the bridgeable additional resistance may e.g. include a resistor that can be bridged by an electrical or mechanical switch.
  • the switch can be arranged parallel to the resistor.
  • a starter of the vehicle may be arranged in the first part of the electrical system.
  • one or more consumers which have an unwanted behavior when the vehicle electrical system voltage drops, can be arranged in the second part of the vehicle electrical system.
  • Additional resistance fluctuations in the vehicle electrical system voltage can be attenuated in the second part of the electrical system (especially during engine start).
  • the control unit may be configured to cause, in one
  • the generator may be disposed in a first area of the vehicle (typically in close proximity to an internal combustion engine of the vehicle)
  • the first area comprises either a front area or a rear area of the vehicle.
  • the second energy store can then also be arranged in the first area of the vehicle. So can one
  • Line resistance between the generator and the second energy storage reduces, and thereby efficiency in the recuperation operation can be increased. Furthermore, requirements for the internal resistance of the second energy store and thus the costs of the second energy store can be reduced.
  • the first energy store may be located in the first area of the vehicle (i.e., near the generator and the starter of the vehicle). Thus, an efficient start of an internal combustion engine can be ensured with electrical energy from the first energy storage.
  • the first energy store may be located in the first area of the vehicle (i.e., near the generator and the starter of the vehicle).
  • Energy storage may be arranged in a second region of the vehicle, which corresponds to an area of the vehicle, which is opposite to the first area (for example in the rear area instead of in the front area or in the front area instead of in the rear area).
  • a uniform power supply can be provided for distributed in the vehicle consumers.
  • a distributed arrangement in terms of package and / or weight distribution and / or safety aspects may be advantageous.
  • a vehicle electrical system for a vehicle wherein the vehicle electrical system has a first energy store and a second energy store
  • Energy storage includes.
  • the first energy storage includes battery cells based on lead-acid technology.
  • the second energy store comprises one or more of the above components.
  • electrical energy can be recuperated in a buffer voltage range and taken up in the second energy store and released again without (substantially) impairing the first energy store.
  • a vehicle electrical system for a vehicle is described, wherein the vehicle electrical system has a first energy store and a second energy store Energy storage includes.
  • the first and / or the second energy storage thereby have one or more of the properties described in this document.
  • a vehicle electrical system for a vehicle wherein the vehicle electrical system has a first energy store and a second energy store
  • the electrical system includes a generator that is configured to generate electrical energy for the electrical system.
  • the generator may be located in a first area of the vehicle (typically in close proximity to an internal combustion engine of the vehicle).
  • the first area comprises either a front area or a rear area of the vehicle.
  • the second energy store can then also be arranged in the first area of the vehicle. So can a line resistance between the
  • a vehicle e.g., a passenger car, a truck, or a motorcycle
  • the vehicle may include the vehicle electrical system described in this document.
  • a controller that includes one or more of the features described in this document.
  • the control unit may be configured to control a generator, a separating element and / or a coupling element of a vehicle electrical system.
  • the control unit may be distributed on a plurality of control devices.
  • a separating element can be controlled by a control unit of an energy store.
  • the generator and / or the coupling element can be controlled by a control unit for the power management of the electrical system.
  • a method may be described that may be implemented, for example, by a control unit described in this document and includes features that correspond to the features that are common to the control unit described in this document.
  • FIG. 1 exemplary voltage ranges of energy storage of a vehicle electrical system
  • FIG. 2 shows exemplary energy flows in a vehicle electrical system of a vehicle
  • FIG. 3 shows a block diagram of an exemplary vehicle electrical system
  • FIG. 4 shows a block diagram of an exemplary vehicle electrical system with a
  • Figure 5 is a block diagram of an exemplary on-board network having a plurality of sub-nets.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c exemplary arrangements of energy storage in a vehicle.
  • the large number of energy stores is to be used, in particular, to recuperate kinetic energy of the vehicle as far as possible as electrical energy and make it available to the electrical system. Furthermore, stand and start energy to be provided in a reliable manner. In addition, it should be ensured that the different
  • FIG. 3 shows an exemplary vehicle electrical system 200 with a multiplicity of
  • the electrical system 200 includes a first energy storage ESI 201 and a second energy storage ES2 202.
  • the electrical system 200 includes a generator 203 which is configured to generate electrical energy.
  • the generator 203 may be driven by an internal combustion engine of the vehicle (not shown) and / or by other parts of the power transmission system and / or by wheels of the vehicle.
  • the on-board network 200 comprises a starter 303, which is set up to start the internal combustion engine of the vehicle.
  • Generator 203 and starter 303 may be implemented as a combined starter generator (as indicated by reference numeral 403 in FIG. 4). In addition, this includes
  • Vehicle electrical system 305 one or more electrical consumers 305 (such as headlights, lighting, air conditioning / heating elements, etc.) of the vehicle, which are operated with electrical energy from the generator 203 and / or from the energy store 201, 202.
  • the first energy storage 201 and the second energy storage 202 are arranged parallel to each other.
  • the first energy storage 201 is based e.g. on lead-acid technology.
  • the first energy storage 201 may be connected to a liquid
  • AGM battery glass fiber fleece
  • gelation lead-gel battery
  • the realized by a lead-acid battery first energy storage 201 has in its design for 12 V / 14 V vehicle electrical systems in six series units, each of which may consist of several pairs of electrodes and / or cells connected in parallel.
  • the second energy storage 202 may be in different
  • Voltage level of the second energy storage 202 in a preferred example, the voltage level of the first energy storage 201.
  • a rest voltage of the second energy storage 202 may exceed the rest voltage of the first energy storage 201.
  • FIG. 1 shows the first maximum open-circuit voltage 101 of the first energy store ESI 201 at full charge (100%).
  • Energy storage ES2 202 has a second maximum rest voltage 104 at full charge (100%), which goes beyond the first maximum rest voltage 101 addition. This means that the second energy storage device 202 can assume a higher quiescent voltage by receiving electrical energy than the first energy storage device 201.
  • it can be controlled whether electrical energy is absorbed or emitted by the first energy storage device 201 or not.
  • it can be largely prevented by the determination of the voltage in the electrical system 200, a cyclic recording / delivery of electrical energy through the first energy storage 201.
  • a substantial lifetime shortening of a lead-acid technology based first energy storage 201 can be avoided.
  • the second energy storage 202 may be one or more of the following
  • accumulator cells short cells
  • a unit is referred to as a cell which has a
  • Such a cell can consist of several elements connected in parallel.
  • Exemplary configurations which the second energy store 202 may comprise are:
  • a series connection of four cells in lithium-ion technology with a metal-oxide cathode in particular nickel-manganese-cobalt (NMC) and / or lithium-manganese-oxide (LMO), and with a carbon-based anode;
  • NMC nickel-manganese-cobalt
  • LMO lithium-manganese-oxide
  • the cathode and the anode of a cell may each contain further additives, in particular for improving the electrode properties, such as conductive additives.
  • the respective proportion of such additives is preferably less than 10%.
  • the number of cells connected in series can be adjusted accordingly.
  • Energy storage 201 has a first maximum rest voltage 101, which is smaller than the second maximum rest voltage 104 of the second energy storage 202.
  • the electrical system 200 can then be operated in the case of recuperation in or above a voltage range 105, which is between the first maximum rest voltage 101 and the second maximum rest voltage 104 is located.
  • the voltage range 105 may be referred to as the buffer voltage range 105.
  • the buffer voltage region 105 has a lower
  • Limit voltage 102 which is typically greater than or equal to the first maximum rest voltage 101.
  • the buffer voltage range 105 has an upper limit voltage 103, which is typically smaller than the second maximum rest voltage 104.
  • the buffer voltage range 105 can do so be used to recuperate electrical energy and stored in the second energy storage 202, and then return this electrical energy to the electrical system 200 for operating the one or more electrical loads 305.
  • Energy storage 201 is due to the location of the buffer voltage range 105 of the cyclic recording and delivery of electrical energy 201 largely excluded, so that the life of the first
  • Energy storage 201 is not substantially reduced by the recuperation operation.
  • the generator 203 of the on-board network 200 can be made to generate electrical energy with a charging voltage which lies in or above the buffer voltage range 105 during recuperation operation.
  • the first energy storage 201 can serve primarily as an energy reserve (eg for stationary operation or for the starter).
  • the second energy storage 201 can serve primarily as an energy reserve (eg for stationary operation or for the starter).
  • Energy storage 202 to be focused on the cyclic recording / delivery of recuperated electrical energy.
  • the first one has
  • Energy storage 201 preferably has a nominal capacity that is at least three times as large as the rated capacity of the second energy store 202. In other words, with a clear separation of the tasks, the energy stores 201, 202 in the on-board network 200 (energy reserve vs. recuperation and cyclic
  • a relatively small second energy store 202 may be used which has a nominal capacity which is only one third or less of the nominal capacity of the first energy store 201.
  • Nominal capacity indicates the charge that the energy storage emits, starting from its full charge in a discharge with a constant test current (according to the usual energy storage technology test method) at 25 ° C until it reaches the lower, technology-specific shutdown voltage.
  • the second energy store 202 has a second rated capacity 112 of at most 25 Ah.
  • the second energy storage 202 may be focused on the cyclic uptake and delivery of electrical energy (e.g., by operation within the buffer voltage region 105).
  • the second energy storage 202 may be designed to be as high as possible
  • the second energy storage 202 has a P / E ratio (discharge power-to-gross energy content) of at least 30 (eg, 40) for a 10 second discharge at 25 ° C and a 50% charge state.
  • the second energy storage 202 at about 25 ° C and about 50% state of charge have a discharge capacity of about 3 kW at the lower discharge voltage and a gross energy content of approx. 10 kWh during a capacity test with a current customary for the technology used, eg with a simple rated current with Li-ion technology.
  • Used technology that has a relatively high cycle life (in particular a higher cycle life than the first energy storage 201).
  • the second energy storage 202 may be 3000 or more
  • Full cycles (corresponding to a discharging charge conversion of at least 3000 times the rated capacity) with a capacity loss of not more than 20% and a power loss of up to 50%.
  • the second energy store 202 can be operated partially or exclusively above the full charge of the first energy store 201.
  • the second energy store 202 can be operated partially or exclusively in the buffer voltage range 105. This allows the
  • the first energy storage 201 dispensed with or at least limited. This has a positive effect on the life of a first energy storage device 201 based on lead-acid technology. Due to the increased voltage level of the second energy storage 202, the absorbed recuperation energy after the end of a recuperation in the On-board supply and thus a reduction in fuel consumption due to the reduced power requirement of the generator 203th
  • the vehicle electrical system voltage 210 can be raised by a control unit 230 of the electrical system (for example, by a controller of the generator 203) in order to generate electrical energy in the region of the voltages 212 to 213.
  • electrical energy having a specific charging voltage 213 can be generated by the generator 203.
  • the charging voltage 213 may be in or above the buffer voltage range 105 of FIG. 1.
  • the recuperated by the generator 203 electrical energy is stored as energy 220 or delivered as energy 221 directly to consumers 305 of the electrical system 200.
  • the energy 220 is stored primarily in the second energy storage 202.
  • a (typically smaller) part 222 of the energy 220 can be stored in the first energy store 201.
  • Energy 225, 224 for the vehicle electrical system 200 can then be provided from the energy stores 201, 202.
  • the second energy storage 202 is preferably carried out in a technology (for example, in lithium-ion technology with a lithium titanate anode), even at relatively low temperatures (eg at 0 ° C or less) over a compared to the first energy storage 201 has better charge acceptance.
  • a high state of charge of a first energy storage device 201 implemented in lead-acid technology can be ensured.
  • it can be achieved by means of a relatively high charge acceptance capability of the second energy store 202 that electrical energy 220 generated by the generator 203 can be absorbed by the second energy store 202 even with short charge phases.
  • Energy storage 201 removed energy 225 are insufficiently recharged, so that the state of charge of the first energy storage 201 drops due to the short charging phases. By a substantial charge of the second
  • the second energy storage 202 can act as a charger and the first energy storage 201 even when a parked vehicle on the first energy storage 201
  • Recharge energy storage 201 Recharge energy storage 201.
  • a higher state of charge of the first energy storage 201 can be ensured and thus the life of the first
  • the operation of the vehicle electrical system 200 in a voltage range 105 which is predominantly above the voltage state of the first energy store 201, significantly reduces the charge conversion of the first energy store 201. This has positive consequences for the life of the first energy storage 201.
  • the first energy storage device 201 may be assigned a control device 301 called the intelligent battery sensor (IBS), which determines the state of the first
  • the first memory control unit 301 can determine, for example, information about the state of charge and the performance of the first energy storage 201 and make it available to a higher-level control unit 230 of the vehicle.
  • the second energy storage 202 may be integrated in the memory as
  • the second memory controller 302 may monitor the state of the second energy storage 202 based on voltage, current and possibly temperature. Furthermore, the second memory controller 302 may, for example, determine information about the state of charge and the performance of the second energy store 202, and make it available to a higher-level controller 230.
  • the second energy storage 202 in lithium-ion technology, can be an electrical
  • Separating element 304 in the form of a mechanical or electronic relay. This separating element 304 can be controlled by the second memory controller 302 and / or by the control unit 230. By this separating element 304, the second energy storage 202 in, due to
  • this separating element 304 can be used within the framework of the operating strategy of the electrical system 200 in order to
  • the second memory controller 302 of the second Energy storage 202 the possibility of a quiescent voltage measurement to specify the determined state of charge of the respective energy storage 201, 202 to allow.
  • An exemplary operating situation, in which the opening of the separating element 304 may be useful, is when the first energy storage 201 is fully charged and a relatively high state of charge of the second energy storage 202 is present. Since the first energy store 201 is already fully charged, no recharging from the second energy store 202 to the first energy store 201 can take place. However, in the case of a first energy store 201 based on lead-acid technology, the gassing current increases disproportionately with increasing voltage and can thus lead to damage to the first energy store 201. Therefore, it may be useful, after stopping the vehicle, the second energy storage 202 from the electrical system 200 by means of the separating element or
  • Separate switching element 304 in order to avoid damage to the first energy storage 201.
  • the positive poles of the two energy storage ESI 201 and ES2 202 connected via a corresponding line, and the negative poles are each connected to the body as a mass or directly to each other via a corresponding line.
  • Consumers 305 may be permanently connected or disconnectable via switching elements. Consumers 305 are shown in the figures only to simplify the graph as a single consumer.
  • Energy storage 202 includes in addition to the memory cells 312 the Battery management system 302 and a switch, ie, a separator, 304.
  • the switch 304 may be performed electronically or mechanically and possibly outside of the housing of the second energy storage 302 and / or in the
  • the generator 203 may also be implemented as a so-called starter-generator (as shown in FIG. 4). In this case, if necessary, the starter 303 can be omitted.
  • FIG. 4 shows a vehicle electrical system 200 in which the entire vehicle electrical system 200 can be separated into two parts by a coupling element 401.
  • the extent of the energy exchange between the first energy store 201 and the second energy store 202 can be influenced by the coupling element 401.
  • the coupling element 401 is arranged between the first energy store 201 and the second energy store 202.
  • the vehicle electrical system consumers 305, 405 can be connected in one of the two or possibly also in parallel in both on-board network branches or partial on-board networks. Which consumer 305, 405 is connected in which on-board network branch can be determined by the
  • Voltage stability requirements of each consumer 305, 405 depend. Consumers 305, which require a voltage with a relatively high stability, may be arranged in the on-board network branch of the second energy store 202, whereas consumers 405, which reduced relatively
  • the coupling element 401 can be realized by means of a bridgeable diode and / or by means of a bridgeable additional resistance.
  • the coupling element 401 may include a damping element (e.g., a resistor) that causes fluctuations in the vehicle electrical system voltage in the first electrical system branch, i. be damped in the electrical system branch of the first energy storage 201, so that in the second electrical system branch, i. in the electrical system branch of the second energy storage 202, relatively reduced fluctuations in the
  • the coupling element 401 can for this purpose be designed so that the coupling element 401, although a damping effect, the potentials in the first and second board network branch, however, are not separated.
  • a coupling element 401 By using a coupling element 401, the energy flow in one direction (when using a diode) or by a resistance in the intensity can be influenced. If in the coupling element 401 a
  • Switching element of the coupling element 401 typically depends on the characteristics of the starting system 303 with respect to a power requirement and according to the characteristics of the electrical system consumers 305, 405 with respect to the requirements for voltage stability and the properties of the energy storage 201, 202.
  • Motor-stop function in the so-called sailing operation is the supply of all
  • FIG. 5 shows further extensions of the electrical system 200 by parallel or in
  • the coupling element 401 shown in FIG. 4 can also be used in the base on-board network 501.
  • Figures 6a, 6b and 6c show exemplary arrangements of the energy storage 201, 202 in a vehicle 600.
  • Rear-drive vehicle 600 typically at the rear of the vehicle 600 arranged.
  • the second energy store 202 can be arranged directly at the first energy store 202 in the rear area.
  • this results in relatively large line lengths from the generator 203 to the second energy storage 202 (when the generator 203 and the internal combustion engine 601 are located in the front area of the vehicle 600).
  • the length of the connecting line between the generator 203 and the second energy storage 202 is of particular importance. Bigger losses in the
  • the second energy store 202 is located in the immediate vicinity of the generator 203. This typically results in a 1.5 to 2 mOhm reduction in the supply line resistance and a reduction in the total line resistance of up to 50% (compared to the arrangement shown in FIG. 6a).
  • consumers 305 in the front of vehicle 600 i.e., near second energy store 202 can benefit directly from the stabilizing effect of second energy store 202.
  • Lifespan of the first energy storage 201 can affect, and what can be compensated or a corresponding line and connection design or must.
  • the buffer voltage range 105 is preferably above the first maximum rest voltage 101. Furthermore, it should be ensured that the
  • the first maximum voltage is typically 14.8 - 15.2 V.
  • the first maximum voltage is 16.0V.
  • Generator 203 may be configured to provide an output voltage, i. to provide a charging voltage 213 in the range of up to 15.5 - 16.0V maximum. Possibly. Higher charging voltages 213 can also be used to compensate for high line losses and unfavorable dimensioning of the same.
  • the charging voltage at the first energy storage 201 may be 14.8V.
  • a maximum output current of the generator 203 may be 250A. It can be assumed that the first energy store 201 is fully charged and has a first maximum rest voltage 101 of 13V, and that the vehicle electrical system current in the rear region of the vehicle is at 40A, and that typical line resistances are present.
  • the quiescent voltage of the second energy storage 202 is then also at about 13.0V.
  • the second energy store 202 should have an internal resistance of at most 8, for a charge pulse of 10 seconds duration at a typical test temperature of a consumption cycle (20-30 ° C.). 5 mOhms have. If a more powerful generator 203 with 400 A maximum current is used under otherwise identical boundary conditions, the permissible value is reduced
  • the charge stroke should be available in the buffer voltage range 105 (eg in a range of 13.0V to 14.0V), a partial discharge of the first energy storage 201 and a permanently high voltage at the first energy storage 201 (which significantly increased Gassing current with corresponding damage to the first
  • vehicle electrical systems 200 which allows a high degree of recuperation in a cost-effective manner.
  • vehicle electrical systems 200 have been described in which a second energy storage 202 is provided for receiving recuperated energy in the forward vehicle area, i. in the immediate vicinity of a generator 203, is located.
  • a first energy storage 201 may be located to provide stand and start energy in the front or rear vehicle area.
  • the first and second energy storage 201, 202 may be connected directly in parallel, or in particular in conjunction with a starter-generator 403 with a
  • Coupling element 401 equipped and connected.
  • the second energy storage 202 is one or more of the energy storage configurations described in this document. Typically, a gross capacity of a maximum of 25 Ah for the second energy storage 202 is as described in this document
  • the second energy storage 202 is primarily for the cyclic
  • the second energy storage 202 should have the highest possible P / E ratio of at least 30 at 25 ° C (discharge 10 seconds to Brutetonnenergieinhalt).
  • the second energy store 202 can have a charge stroke of 3 Ah in the standby voltage range of 13.0V to 14.0V.
  • the second energy storage 202 may have an internal resistance to charge of a maximum of 6.5mOhm, with a charge for 10 seconds 25 ° C, starting at a quiescent voltage, which at 50% energy content in the
  • the first energy storage 201 may be at least 3 times the capacity of the second

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Abstract

Bordnetz (200) mit einem ersten Energiespeicher (201), der eine erste maximale Ruhespannung (101) bei Vollladung des ersten Energiespeichers (201) aufweist, und einem zweiten Energiespeicher (202), der eine zweite maximale Ruhespannung (104) bei Vollladung des zweiten Energiespeichers (201) aufweist, welche höher ist als die erste maximale Ruhespannung (101), und einem Generator (203) sowie einer Steuereinheit (230), die eingerichtet ist, einen Rekuperations-Betrieb des Fahrzeugs (600) zu detektieren. Die Steuereinheit (230) ist weiter eingerichtet, während das Fahrzeug (100) im Rekuperations-Betrieb ist, den Generator (203) zu veranlassen, elektrische Energie mit einer Ladespannung zu generieren, die in oder oberhalb von einem Puffer-Spannungsbereich (105) liegt. Dabei liegt der Puffer-Spannungsbereich (105) zwischen der ersten maximalen Ruhespannung (101) und der zweiten maximalen Ruhespannung (104).

Description

Mehr-Energiespeicher-System für Kraftfahrzeugbordnetze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bereitstellung von einer Vielzahl von elektrischen Energiespeichern in einem Bordnetz eines Fahrzeugs.
Ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenfahrzeug wie z.B. ein
Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) umfasst
typischerweise ein elektrisches Bordnetz, das eingerichtet ist, ein oder mehrere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie aus einem Speicher von elektrischer Energie (z.B. aus einer Niedervolt-Batterie) zu versorgen.
Die Verwendung von einer Vielzahl von Energiespeichern in dem Bordnetz eines Fahrzeugs kann vorteilhaft sein, z.B. um die Lebensdauer der einzelnen
Energiespeicher zu verlängern, um eine erhöhte Leistungsabgabe zu ermöglichen und/oder um in einem erhöhten Maße kinetische Energie des Fahrzeugs als elektrische Energie zu rekuperieren und im Bordnetz zu speichern. Insbesondere können in einem Niedervolt-Bordnetz (z.B. bei einer Bordnetzspannung von ca. 12V) neben einem Blei- Akkumulator ein oder mehrere weitere Energiespeicher (z.B. ein oder mehrere Lithium Akkumulatoren) verwendet werden, um von einem Generator des Fahrzeugs (z.B. von einer Lichtmaschine) rekuperierte elektrische Energie zu speichern. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine vorteilhafte Kombination von Energiespeichern für ein Bordnetz eines Fahrzeugs bereitzustellen. Desweiteren befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, eine Kombination von Energiespeichern eines Bordnetzes eines Fahrzeugs in vorteilhafter Weise zu betreiben. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Gemäß einem Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug (insbesondere für ein Straßenfahrzeug z.B. für einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben. Das Bordnetz umfasst einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher. Der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher können parallel zueinander in dem Bordnetz angeordnet sein, ggf. über ein Koppelelement, welches eine Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher ganz oder teilweise dämpfen kann.
Der erste Energie Speicher weist eine erste maximale Ruhespannung bei
Vollladung des ersten Energiespeichers auf und der zweite Energiespeicher weist eine zweite maximale Ruhespannung bei Vollladung des zweiten
Energiespeichers auf. Dabei ist die zweite maximale Ruhespannung höher als die erste maximale Ruhespannung. Der Bereich zwischen der ersten maximalen Ruhespannung und der zweiten maximalen Ruhespannung kann dazu verwendet werden, elektrische Energie (ggf. zyklisch) in den zweiten Energiespeicher zu laden und/oder aus dem zweiten Energiespeicher zu entnehmen, ohne dabei den ersten Energiespeicher durch Ladeströme bzw. Entladeströme zu belasten. So kann die Lebensdauer des ersten Energiespeichers erhöht werden. Die zweite maximale Ruhespannung kann kleiner als oder gleich wie eine maximal zulässige Spannung des ersten Energiespeichers sein. So kann gewährleistet werden, dass der erste Energiespeicher nicht durch eine
Bordnetzspannung bis zu der zweiten maximalen Ruhespannung geschädigt wird. Ggf. kann der zweite Energiespeicher auch eine zweite maximale Ruhespannung aufweisen, die über die maximal zulässige Spannung des ersten Energie Speichers hinausgeht. Es liegt dann ein Kapazitätsbereich des zweiten Energiespeichers vor, der ungenutzt bleibt. Dies kann in Bezug auf die Lebensdauer des zweiten Energiespeichers vorteilhaft sein.
Desweiteren kann eine zweite minimale Ruhespannung des zweiten
Energiespeichers kleiner sein als die erste maximale Ruhespannung des ersten Energiespeichers. So können bei Bedarf beide Energiespeicher gleichzeitig dazu verwendet werden, Energie aufzunehmen und/oder für das Bordnetz
bereitzustellen. Der erste Energiespeicher kann eingerichtet sein, elektrische Stand- und/oder Startenergie für das Fahrzeug bereitzustellen. Andererseits kann der zweite Energiespeicher eingerichtet sein, in zyklischer Weise elektrische Energie zu speichern und bereitzustellen. Bevorzugt weist der zweite Energiespeicher (im Vergleich zu dem ersten Energiespeicher) eine höhere Zyklenfestigkeit auf. Beispielsweise kann der zweite Energie Speicher ausgelegt sein, bei 3000 oder mehr Vollzyklen (entsprechend einem entladenden Ladungsumsatz von mindestens 3000 Mal der Nennkapazität) einen Kapazitätsverlust von nicht mehr als 20% und einen Leistungsverlust von höchstens 50% aufzuweisen. Eine klare Zuweisung von Aufgaben an den ersten Energie Speicher und an den zweiten Energiespeicher ermöglichen es, für die jeweiligen Aufgaben optimierte Batterie-Technologien verwenden zu können, ohne dass es bei dem Betrieb des Bordnetzes zu einer übermäßigen Schädigung / Verkürzung der Lebensdauer des ersten oder zweiten Energiespeichers kommt. Insbesondere kann eine Schädigung minimiert und eine Lebensdauer maximiert werden. Desweiteren können für die jeweilige Aufgabe kosten-optimierte Technologien verwendet werden. Insgesamt kann so ein zuverlässiges und kosten-effektives Bordnetz bereitgestellt werden.
Aufgrund einer klaren Zuweisung von Aufgaben an den ersten Energiespeicher und an den zweiten Energiespeicher können für die Energiespeicher
entsprechende Dimensionierungen durchgeführt werden. Insbesondere kann aufgrund der Aufgabenverteilung der zweite Energiespeicher eine Nennkapazität aufweisen, die einem Drittel oder weniger einer Nennkapazität des ersten
Energiespeichers entspricht. Typischerweise ist eine Speicher-Technologie für zyklische Speicher kostenintensiver als eine Speicher-Technologie für
Standenergie. Durch die o.g. relative Dimensionierung des ersten und des zweiten Energiespeichers wird somit ein kosteneffektives Bordnetz ermöglicht.
Durch die Zuweisung von Aufgaben an den ersten Energie Speicher und an den zweiten Energiespeicher kann ein zweiter Energiespeicher verwendet werden, der ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann ein zweiter Energie Speicher verwendet werden, der eine Nennkapazität von höchstens 25 Ah aufweist. Es hat sich gezeigt, dass für die zyklische Aufnahme / Abgabe von elektrischer Energie (insbesondere für rekuperierte elektrische Energie) die o.g. Kapazität ausreichend ist. Es kann somit ein kosteneffizienter zweiter Energiespeicher bereitgestellt werden.
Bei Rekuperation kann elektrische Energie mit einer Ladespannung in einem oder oberhalb von einem Puffer-Spannungsbereich bereitgestellt werden, wobei der Puffer-Spannungsbereich oberhalb von der ersten maximalen Ruhespannung liegt. Der zweite Energiespeicher kann in diesem Puffer-Spannungsbereich einen
Ladungshub von 3Ah oder mehr aufweisen. So kann gewährleistet werden, dass rekuperierte elektrische Energie möglichst vollständig aufgenommen werden kann. Es kann somit der Energieverbrauch des Fahrzeugs reduziert werden. Zur Erfüllung der Aufgabe bzgl. der zyklischen Aufnahme/Abgabe von elektrischer Energie kann der zweite Energiespeicher ein Verhältnis von
Entladeleistung-zu-Bruttoenergieinhalt von mindestens 30 aufweisen,
insbesondere bei einer Betriebstemperatur von 25°C und bei einem Ladezustand von 50%. So kann gewährleistet werden, dass auch kurzzeitig relativ hohe Mengen an elektrischer Energie aufgenommen bzw. bereitgestellt werden können. Der zweite Energiespeicher kann einen Innenwiderstand von 6,5 mOhm oder weniger aufweisen, insbesondere bei einem Ladezustand von ca. 50% und einer Betriebstemperatur von ca. 25°C. Durch derartige Innenwiderstände kann gewährleistet werden, dass auch relativ hohe Rekuperationsströme vollständig zum Laden des zweiten Energiespeichers verwendet werden können.
Der zweite Energiespeicher kann bei Betriebstemperaturen von 0°C oder weniger eine Ladungsaufnahmefähigkeit aufweisen, die höher ist als die
Ladungsaufnahmefähigkeit des ersten Energie Speichers. Typischerweise sinkt die Ladungsaufnahmefähigkeit von Energiespeichern mit sinkender Temperatur. Dies führt dazu, dass insbesondere bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen und bei relativ kurzen Betriebsphasen des Fahrzeugs eine Teilentladung des ersten Energiespeichers erfolgen kann, die im Fahrbetrieb nicht mehr vollständig zurück geladen werden kann. Durch die erhöhte Ladungsaufnahmefähigkeit kann der zweite Energiespeicher auch bei kurzen Betriebsphasen eine relativ hohe Menge an elektrischer Energie aufnehmen. Diese elektrische Energie kann dann (z.B. in einer Ruhephase des Fahrzeugs) aufgrund der Parallelschaltung zumindest teilweise von dem zweiten Energiespeicher an den ersten Energiespeicher abgegeben werden. Der erste Energie Speicher kann so auch bei kurzen
Betriebsphasen und bei niedrigen Betriebstemperaturen zuverlässig seine
Aufgaben in Bezug auf die Bereitstellung von Standenergie und/oder von Startenergie erfüllen.
Der erste Energiespeicher kann ein oder mehrere Batterie-Zellen umfassen, die auf Blei-Säure-Technologie basieren. So kann in effizienter Weise Kapazität für die dem ersten Energiespeicher zugewiesenen Aufgaben bereitgestellt werden. Desweiteren kann durch die Verwendung von Blei-Säure-Technologie ein erster Energiespeicher bereitgestellt werden, der eine erste maximale Ruhespannung aufweist, die gleich wie oder kleiner als ca. 13V ist. Ein derartiger
Energiespeicher kann somit in einem 12 V/14 V-Niedervolt-Bordnetz eines Fahrzeugs verwendet werden. Der zweite Energiespeicher kann ein oder mehrere der folgenden Komponenten bzw. Konfigurationen umfassen. Beispielsweise können mehrere der folgenden Komponenten parallel zueinander angeordnet sein. Durch die im Folgenden genannten Komponenten kann ein zweiter Energiespeicher bereitgestellt werden, der eine zweite maximale Ruhespannung aufweist, die höher ist als die erste maximale Ruhespannung. Desweiteren kann ein zweiter Energiespeicher bereitgestellt werden, der eine zweite minimale Ruhespannung aufweist, die kleiner ist als die erste maximale Ruhespannung. Es kann somit ein zweiter Energiespeicher bereitgestellt werden, der in zyklischer Weise elektrische Energie aufnehmen bzw. abgeben kann (z.B. im Rekuperations-Betrieb des Fahrzeugs), ohne dabei den ersten Energiespeicher zu belasten. Ggf. kann die zweite maximale Ruhespannung des zweiten Energiespeichers auch Werte über die typische maximale Systemspannung von 15,5 - 16 V hinaus annehmen. Dieser Spannungsbereich kann dann ungenutzt bleiben. Es kann jedoch für die
Lebensdauer des zweiten Energiespeichers vorteilhaft sein, wenn dieser nicht bis zu seiner maximalen Ruhespannung (d.h. bis Vollladung) betrieben wird.
Der zweite Energiespeicher kann insbesondere umfassen, zehn in Reihe geschaltete Zellen, welche auf Nickel-Metall-Hydrid-Technologie basieren. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Energiespeicher umfassen, eine Reihenschaltung von vier Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Metalloxid-Kathode, insbesondere einer Nickel-Mangan- Cobalt (NMC) Kathode und/oder einer Lithium-Mangan-Oxid (LMO) Kathode, und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Energiespeicher umfassen, eine Reihenschaltung von vier Zellen, welche auf Lithium-Ionen-Technologie basieren, mit einer Lithium- Eisenphosphat- Kathode (LFP) und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Energiespeicher umfassen, eine Reihenschaltung von sechs Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Metalloxid-Kathode, insbesondere einer Nickel-Mangan- Cobalt (NMC) Kathode und/oder einer Lithium-Mangan-Oxid (LMO) Kathode, und mit einer auf Lithium-Titanat (LTO) basierenden Anode. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Energiespeicher umfassen, eine Reihenschaltung von acht Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Lithium- Eisenphosphat-Kathode (LFP) und einer auf Lithium-Titanat (LTO) basierenden Anode.
Das Bordnetz kann weiter einen Generator umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz zu generieren. Der Generator kann dabei insbesondere zeitweilig durch Räder des Fahrzeugs und den angebundenen Antriebsstrang angetrieben werden, insbesondere wenn sich das Fahrzeug im Rekuperations-Betrieb befindet, bei dem kinetische Energie des Fahrzeugs durch den Generator in elektrische Energie gewandelt wird. Der Generator kann eingerichtet sein, elektrische Energie mit unterschiedlichen Spannungen zu generieren. Insbesondere kann elektrische Energie mit einer Ladespannung generiert werden, die in einem oder oberhalb von einem Puffer-Spannungsbereich liegt, wobei der Puffer- Spannungsbereich bevorzugt zwischen der ersten maximalen Ruhespannung (insbesondere oberhalb von der ersten maximalen Ruhespannung) und der zweiten maximalen Ruhespannung liegt. Beispielsweise kann der Puffer-Spannungsbereich, ggf. ausschließlich, Ruhespannungen zwischen 13 V (insbesondere größer als 13V) und 16 V umfassen. So kann gewährleistet werden, dass rekuperierte elektrische Energie ausschließlich von dem zweiten Energiespeicher aufgenommen wird (bei Vollladung des ersten Energiespeichers). Auch im Anschluss an einen Rekuperations-Betrieb ist dadurch die Bordnetzspannung typischerweise größer als die erste maximale
Ruhespannung (z.B. größer als 13V). So kann die rekuperierte elektrische Energie ohne substantielle Belastung für den ersten Energiespeicher aus dem zweiten Energiespeicher entnommen werden. Insbesondere kann gewährleistet werden, dass elektrische Energie nur aus dem zweiten Energiespeicher entnommen wird, solange die Bordnetzspannung im oder oberhalb von dem Puffer- Spannungsbereich liegt. Das Bordnetz kann eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, einen Rekuperations-Betrieb des Fahrzeugs zu detektieren. Z.B. kann detektiert werden, dass ein Bremspedal des Fahrzeugs betätigt wird und/oder dass ein
Fahrpedalwinkel kleiner als oder gleich wie ein bestimmter Winkel- Schwellenwert ist und sich der Verbrennungsmotor somit im Schleppbetrieb befindet. Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, den Generator zu veranlassen, elektrische Energie, ggf. ausschließlich, in dem oder oberhalb von dem Puffer-Spannungsbereich zu generieren, während das Fahrzeug im
Rekuperations-Betrieb ist. Wie bereits dargelegt kann so gewährleistet werden, dass rekuperierte elektrische Energie vorrangig von dem zweiten Energiespeicher aufgenommen wird und im Anschluss an die Rekuperation wieder von dem zweiten Energiespeicher an das Bordnetz abgegeben wird. Somit wird der erste Energiespeicher nahezu nicht durch den zyklischen Rekuperations-Betrieb belastet.
Das Bordnetz kann ein Trennelement umfassen, das eingerichtet ist, einen Stromfluss zwischen dem zweiten Energie Speicher und dem Bordnetz zu unterbinden. Das Trennelement kann einen elektrischen und/oder einen mechanischen Schalter umfassen. Das Trennelement kann masseseitig und/oder Plus-seitig in Bezug auf den zweiten Energiespeicher angeordnet sein. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Vorliegen von ein oder mehreren Trennbedingungen zu ermitteln. Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, bei Vorliegen von ein oder mehreren Trennbedingungen, das Trennelement zu veranlassen, den Stromfluss zwischen dem zweiten Energiespeicher und dem Bordnetz zu unterbinden.
Die ein oder mehreren Trennbedingungen können ein oder mehrere der folgenden Bedingungen umfassen. Bei einer ersten Trennbedingung weist der erste
Energiespeicher einen Ladezustand auf, der gleich wie oder größer als ein vordefinierter erster Lade-Schwellenwert (z.B. Vollladung) ist. Außerdem kann der zweite Energiespeicher einen Ladezustand aufweisen, der gleich wie oder größer als ein vordefinierter zweiter Lade-Schwellenwert ist. Insbesondere kann der zweite Energiespeicher eine Ruhespannung aufweisen, die höher ist, als die erste maximale Ruhespannung (z.B. um mindestens einen vordefinierten
Spannungswert). Desweiteren befindet sich bei der ersten Trennbedingung das Fahrzeug in einer Ruhephase. In einer solchen Situation kann durch das
Trennelement vermieden werden, dass durch elektrische Energie aus dem zweiten Energiespeicher eine Überladung des ersten Energie Speichers erfolgt. Es können somit der erste Energiespeicher geschützt werden und Energieverluste vermieden werden.
Bei einer zweiten Trennbedingung liegt ein Indiz dafür vor, dass elektrische Energie für einen Notstart des Fahrzeugs vorzuhalten ist. Desweiteren kann sich das Fahrzeug im Ruhezustand befinden. Es kann z.B. erkannt werden, dass der Ladezustand des zweiten Energiespeichers unter einen vordefinierten
Schwellenwert gesunken ist. Durch das Trennelement kann in einem solchen Fall elektrische Energie aus dem zweiten Energie Speicher für einen Notstart vorgehalten werden. Zu diesem Zweck kann das Trennelement den zweiten Energiespeicher für eine Aktivierung eines Starters des Fahrzeugs wieder mit dem Bordnetz verbinden. Es kann somit auch nach längeren Standzeiten und/oder hoher Standentladung ein Start des Fahrzeugs gewährleistet werden.
Bei einer dritten Trennbedingung liegt ein Indiz dafür vor, dass eine
Ruhespannungsmessung am ersten Energie Speicher und/oder am zweiten
Energiespeicher durchgeführt werden soll. Durch das Trennelement kann der erste Energiespeicher von dem zweiten Energiespeicher getrennt werden. Somit kann für den jeweiligen Energiespeicher eine zuverlässige Ruhespannungsmessung durchgeführt werden. Das Bordnetz kann einen überbrückbaren Zusatzwiderstand (auch als
Koppelelement bezeichnet) umfassen, der das Bordnetz in einen ersten Teil mit dem ersten Energie Speicher und in einen zweiten Teil mit dem zweiten
Energiespeicher aufteilt. Der überbrückbare Zusatzwiderstand kann z.B. einen Widerstand umfassen, der durch einen elektrischen oder mechanischen Schalter überbrückt werden kann. Dazu kann der Schalter parallel zu dem Widerstand angeordnet sein. Ein Starter des Fahrzeugs kann im ersten Teil des Bordnetzes angeordnet sein. Andererseits können ein oder mehrere Verbraucher, welche bei Einbruch der Bordnetzspannung ein unerwünschtes Verhalten aufweisen, im zweiten Teil des Bordnetzes angeordnet sein. Durch den überbrückbaren
Zusatzwiderstand können Schwankungen der Bordnetzspannung im zweiten Teil des Bordnetzes gedämpft werden (insbesondere während eines Motorstarts).
Desweiteren kann, im Gegensatz zu einer vollständigen Trennung von Teilen des Bordnetzes, gewährleistet werden, dass die elektrische Energie des ersten und des zweiten Energiespeichers immer im gesamten Bordnetz zu Verfügung steht. Außerdem kann sichergestellt werden, dass auch in einem Notbetrieb elektrische Energie aus dem Generator über den Widerstand an den zweiten Teil des Bordnetzes übertragen werden kann. Zu diesem Zweck kann der Generator elektrische Energie mit einer erhöhten Spannung generieren, um den Widerstand zu überwinden. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass in einem
Segelbetrieb vor einem Motorstart des Fahrzeugs bei Aktivierung eines Starters eine Überbrückung des überbrückbaren Zusatzwiderstands aufgehoben wird. So kann ein Spannungseinbruch im zweiten Teil des Bordnetzes gedämpft werden, wodurch negative Effekte auf Verbraucher im zweiten Teil des Bordnetzes abgemildert werden. Andererseits kann weiterhin eine zuverlässige Versorgung von (insbesondere sicherheitskritischen) Verbrauchern gewährleistet werden.
Der Generator kann in einem ersten Bereich des Fahrzeugs angeordnet sein (typischerweise in unmittelbarer Nähe zu einem Verbrennungsmotor des
Fahrzeugs). Der erste Bereich umfasst dabei entweder einen Front-Bereich oder einen Heck-Bereich des Fahrzeugs. Der zweite Energiespeicher kann dann ebenfalls im ersten Bereich des Fahrzeugs angeordnet sein. So kann ein
Leitungswiderstand zwischen dem Generator und dem zweiten Energiespeicher reduziert, und dadurch eine Effizienz im Rekuperations-Betrieb erhöht werden. Desweiteren können so Anforderungen an den Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers und damit die Kosten des zweiten Energiespeichers reduziert werden.
Der erste Energiespeicher kann im ersten Bereich des Fahrzeugs (d.h. in der Nähe des Generators und des Starters des Fahrzeugs) angeordnet sein. So kann ein effizienter Start eines Verbrennungsmotors mit elektrischer Energie aus dem ersten Energiespeicher gewährleistet werden. Andererseits kann der erste
Energiespeicher in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs angeordnet sein, der einem Bereich des Fahrzeugs entspricht, der dem ersten Bereich entgegengesetzt ist (z.B. im Heck-Bereich statt im Front-Bereich oder im Front-Bereich statt im Heck-Bereich). Durch eine derartige Verteilung der Energiespeicher im Fahrzeug kann eine gleichmäßige Spannungsversorgung für die im Fahrzeug verteilten Verbraucher bereitgestellt werden. Außerdem kann eine verteilte Anordnung hinsichtlich Package und/oder Gewichtsverteilung und/oder Sicherheitsaspekten vorteilhaft sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug beschrieben, wobei das Bordnetz einen ersten Energiespeicher und einen zweiten
Energiespeicher umfasst. Der erste Energiespeicher umfasst dabei Batterie-Zellen, die auf Blei-Säure-Technologie basieren. Der zweite Energiespeicher umfasst ein oder mehrere der o.g. Komponenten. So kann bei einem Rekuperations-Betrieb des Fahrzeugs elektrische Energie in einem Puffer-Spannungsbereich rekuperiert und im zweiten Energiespeicher aufgenommen und wieder abgegeben werden, ohne dabei den ersten Energiespeicher (substantiell) zu beeinträchtigen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug beschrieben, wobei das Bordnetz einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher umfasst. Der erste und/oder der zweite Energiespeicher weisen dabei ein oder mehrere der in diesem Dokument beschriebenen Eigenschaften auf. So kann ein kosteneffektives und zuverlässiges Bordnetz für ein Fahrzeug bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug beschrieben, wobei das Bordnetz einen ersten Energiespeicher und einen zweiten
Energiespeicher umfasst. Desweiteren umfasst das Bordnetz einen Generator, der eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz zu generieren. Der Generator kann in einem ersten Bereich des Fahrzeugs angeordnet sein (typischerweise in unmittelbarer Nähe zu einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs). Der erste Bereich umfasst dabei entweder einen Front-Bereich oder einen Heck-Bereich des Fahrzeugs. Der zweite Energiespeicher kann dann ebenfalls im ersten Bereich des Fahrzeugs angeordnet sein. So kann ein Leitungswiderstand zwischen dem
Generator und dem zweiten Energiespeicher reduziert, und dadurch eine Effizienz im Rekuperations-Betrieb erhöht werden. Insbesondere können so Anforderungen an den Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers und damit die Kosten des zweiten Energiespeichers reduziert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben. Das Fahrzeug kann das in diesem Dokument beschriebene Bordnetz umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit beschrieben, die ein oder mehrere der in diesem Dokument beschriebenen Merkmale umfasst. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, einen Generator, ein Trennelement und/oder ein Koppelement eines Bordnetzes zu steuern. Die Steuereinheit kann auf einer Vielzahl von Steuergeräten verteilt sein. Beispielsweise kann ein Trennelement durch ein Steuergerät eines Energie Speichers gesteuert werden. Der Generator und/oder das Koppelelement können durch ein Steuergerät für das Power Management des Bordnetzes gesteuert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren beschrieben, das z.B. von einer in diesem Dokument beschriebenen Steuereinheit ausgeführt werden kann, und Merkmale umfasst, die den Merkmalen, der für die in diesem Dokument beschriebenen Steuereinheit, entsprechen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 beispielhafte Spannungsbereiche von Energiespeichern eines Bordnetzes; Figur 2 beispielhafte Energieflüsse in einem Bordnetz eines Fahrzeugs;
Figur 3 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Bordnetzes;
Figur 4 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Bordnetzes mit einem
Koppelelement;
Figur 5 ein Blockdiagramm von einem beispielhaften Bordnetz mit einer Vielzahl von Teilbordnetzen; und
Figuren 6a, 6b und 6c beispielhafte Anordnungen von Energiespeichern in einem Fahrzeug.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der
Bereitstellung von einem Fahrzeug-Bordnetz mit einer Vielzahl von
Energiespeichern. Die Vielzahl von Energiespeichern soll insbesondere dazu verwendet werden, kinetische Energie des Fahrzeugs möglichst weitgehend als elektrische Energie zu rekuperieren und dem Bordnetz zu Verfügung zu stellen. Desweiteren soll in zuverlässiger Weise Stand- und Startenergie bereitgestellt werden. Außerdem soll sichergestellt werden, dass die unterschiedlichen
Energiespeicher des Bordnetzes nicht substantiell aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an das Bordnetz (zyklische Aufnahme und Abgabe von
rekuperierter Energie, Bereitstellung von Standenergie, Bereitstellung von
Startenergie, Bereitstellung von Stützenergie, etc.) geschädigt werden, und so eine Reduzierung der Lebenszeit der Energiespeicher bewirkt wird.
Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Bordnetz 200 mit einer Vielzahl von
Energiespeichern 201, 202. Insbesondere umfasst das Bordnetz 200 einen ersten Energiespeicher ESI 201 und einen zweiten Energiespeicher ES2 202.
Desweiteren umfasst das Bordnetz 200 einen Generator 203, der eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen. Der Generator 203 kann dabei durch einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs (nicht dargestellt) und/oder durch andere Teile des Kraftübertragungssystems und/oder durch Räder des Fahrzeugs angetrieben werden. Desweiteren umfasst das Bordnetz 200 einen Starter 303, der eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten. Der Generator 203 und der Starter 303 können als ein kombinierter Starter-Generator ausgeführt sein (wie in Fig. 4 durch das Referenzzeichen 403 dargestellt). Außerdem umfasst das
Bordnetz 305 einen oder mehrere elektrische Verbraucher 305 (z.B. Scheinwerfer, Beleuchtung, Klima-/Heizelemente, etc.) des Fahrzeugs, die mit elektrischer Energie aus dem Generator 203 und/oder aus den Energie speichern 201, 202 betrieben werden. Der erste Energiespeicher 201 und der zweite Energiespeicher 202 sind parallel zueinander angeordnet. Der erste Energiespeicher 201 basiert z.B. auf Blei-Säure- Technologie. Der erste Energiespeicher 201 kann mit einem flüssigen
Elektrolyten oder mit einem, durch ein Glasfaservlies (AGM-Batterie) oder durch eine Gelierung (Blei-Gel-Batterie), festgelegten Elektrolyten ausgeführt sein. Der durch eine Blei-Säure-Batterie realisierte erste Energie Speicher 201 weist in seiner Ausführung für 12 V/14 V-Bordnetze sechs in Reihe geschaltete Einheiten auf, die jeweils aus mehreren parallel geschalteten Elektrodenpaaren und/oder Zellen bestehen können.
Der zweite Energiespeicher 202 kann in verschiedenen
Energiespeichertechnologien ausgeführt werden. Dabei übersteigt das
Spannungsniveau des zweiten Energiespeichers 202 in einem bevorzugten Beispiel das Spannungsniveau des ersten Energiespeichers 201. Insbesondere kann eine Ruhespannung des zweiten Energiespeichers 202 die Ruhespannung des ersten Energiespeichers 201 übersteigen. Dies ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt. Insbesondere zeigt Fig. 1 die erste maximale Ruhespannung 101 des ersten Energiespeichers ESI 201 bei Vollladung (100%). Der zweite
Energiespeicher ES2 202 weist eine zweite maximale Ruhespannung 104 bei Vollladung (100%) auf, die über die erste maximale Ruhespannung 101 hinaus geht. Das heißt, dass der zweite Energiespeicher 202 durch Aufnahme von elektrischer Energie eine höhere Ruhespannung annehmen kann als der erste Energiespeicher 201. So kann durch die Festlegung der Spannung im Bordnetz 200 gesteuert werden, ob elektrische Energie von dem ersten Energiespeicher 201 aufgenommen bzw. abgegeben wird oder nicht. Insbesondere kann durch die Festlegung der Spannung im Bordnetz 200 eine zyklische Aufnahme / Abgabe von elektrischer Energie durch den ersten Energiespeicher 201 weitestgehend unterbunden werden. So kann auch bei einer zyklischen Rekuperation von Bremsenergie und der Rückführung der Energie an das Bordnetz 200, eine substantielle Lebenszeit- Verkürzung eines auf Blei-Säure-Technologie basierenden ersten Energiespeichers 201 vermieden werden.
Der zweite Energiespeicher 202 kann ein oder mehrere der folgenden
Konfigurationen bzw. Komponenten aufweisen. Beispielsweise können mehrere der folgenden Konfiguration parallel zueinander angeordnet werden, um den zweiten Energiespeicher 202 bereitzustellen. Durch die Konfigurationen kann insbesondere gewährleistet werden, dass eine zweite maximale Ruhespannung 104 vorliegt, die über die maximale Ruhespannung 101 des ersten Energiespeichers 201 hinausgeht. Dabei können Akkumulator-Zellen (kurz Zellen) mit unterschiedlichen Akkumulator-Technologien verwendet werden. Als eine Zelle wird dabei im Folgenden eine Einheit bezeichnet, welche eine
Nennspannung aufweist, die für die jeweilige Akkumulator-Technologie charakteristisch ist. Physikalisch kann eine solche Zelle aus mehreren parallel geschalteten Elementen bestehen. Beispielhafte Konfigurationen, welche der zweite Energiespeicher 202 umfassen kann (insbesondere für ein Niedervolt- Bordnetz 200 bei 12V), sind:
• Zehn in Reihe geschaltete Zellen in Nickel-Metall-Hydrid-Technologie;
• eine Reihenschaltung von vier Zellen in Lithium- Ionen-Technologie mit einer Metalloxid- Kathode, insbesondere Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder Lithium-Mangan-Oxid (LMO), und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode;
• eine Reihenschaltung von vier Zellen in Lithium- Ionen-Technologie mit einer Lithium-Eisenphosphat-Kathode (LFP) und mit einer auf
Kohlenstoff basierenden Anode;
• eine Reihenschaltung von sechs Zellen in Lithium- Ionen-Technologie mit einer Metalloxid- Kathode, insbesondere Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder Lithium-Mangan-Oxid (LMO), und mit einer auf Lithium- Titanat (LTO) basierenden Anode; und/oder
• eine Reihenschaltung von acht Zellen in Lithium-Ionen-Technologie mit einer Lithium-Eisenphosphat- Kathode (LFP) und einer auf Lithium- Titanat (LTO) basierenden Anode. Die Kathode und die Anode einer Zelle können jeweils weitere Zusätze beinhalten, insbesondere zur Verbesserung der Elektroden-Eigenschaften, wie beispielsweise Leitzusätze. Der jeweilige Anteil von derartigen Zusätzen liegt dabei bevorzugt unter 10 %. Für ein Bordnetz mit höherer Spannung,
beispielsweise 24 V oder 48 V, kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen entsprechend angepasst werden. Durch die o.g. Konfigurationen kann gewährleistet werden, dass der erste
Energiespeicher 201 eine erste maximale Ruhespannung 101 aufweist, die kleiner ist als die zweite maximale Ruhespannung 104 des zweiten Energiespeichers 202. Das Bordnetz 200 kann dann im Falle von Rekuperation in einem oder oberhalb von einem Spannungsbereich 105 betrieben werden, der zwischen der ersten maximalen Ruhespannung 101 und der zweiten maximalen Ruhespannung 104 liegt. Der Spannungsbereich 105 kann als Puffer-Spannungsbereich 105 bezeichnet werden. Der Puffer-Spannungsbereich 105 weist eine untere
Grenzspannung 102 auf, die typischerweise größer ist als oder gleich ist wie die erste maximale Ruhespannung 101. Desweiteren weist der Puffer- Spannungsbereich 105 eine obere Grenzspannung 103 auf, die typischerweise kleiner ist als die zweite maximale Ruhespannung 104. Der Puffer- Spannungsbereich 105 kann dazu verwendet werden, elektrische Energie zu rekuperieren und in dem zweiten Energiespeicher 202 zu speichern, und diese elektrische Energie anschließend wieder an das Bordnetz 200 zum Betrieb der ein oder mehreren elektrischen Verbraucher 305 abzugeben. Der erste
Energiespeicher 201 ist dabei aufgrund der Lage des Puffer-Spannungsbereichs 105 von der zyklischen Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie 201 weitestgehend ausgenommen, so dass die Lebensdauer des ersten
Energiespeichers 201 durch den Rekuperations-Betrieb nicht substantiell reduziert wird.
Insbesondere kann der Generator 203 des Bordnetzes 200 veranlasst werden, im Rekuperations-Betrieb elektrische Energie mit einer Ladespannung zu generieren, die in oder oberhalb von dem Puffer-Spannungsbereich 105 liegt. Mit
zunehmender Dauer des Rekuperations-Betriebs steigt dabei typischerweise der Ladezustand und damit die Ruhespannung des zweiten Energiespeichers ES2 an und kann bei intensivem Rekuperationsbetrieb ggf. auch über den Puffer- Spannungsbereich 105 hinausgehen. Der erste Energiespeicher 201 kann vorrangig als Energiereserve dienen (z.B. für den Standbetrieb oder für den Starter). Andererseits kann der zweite
Energiespeicher 202 auf die zyklische Aufnahme / Abgabe von rekuperierter elektrischer Energie fokussiert sein. Zu diesem Zweck verfügt der erste
Energiespeicher 201 bevorzugt über eine Nennkapazität, die mindestens dreimal so groß ist, wie die Nennkapazität des zweiten Energiespeichers 202. Anders ausgedrückt, bei einer klaren Trennung der Aufgaben der Energiespeicher 201, 202 im Bordnetz 200 (Energiereserve vs. Rekuperation und zyklische
Belastung/Leistungspufferung) kann ein relativ kleiner zweiter Energiespeicher 202 verwendet werden, der eine Nennkapazität aufweist, die nur ein Drittel oder weniger der Nennkapazität des ersten Energiespeicher 201 aufweist. Die
Nennkapazität gibt dabei die Ladung an, die der Energiespeicher ausgehend von seiner Vollladung bei einer Entladung mit einem konstanten Prüfstrom (nach dem für die jeweilige Energiespeichertechnologie üblichen Prüfverfahren) bei 25 °C bis zum Erreichen der unteren, technologiespezifischen Abschaltspannung abgibt.
Fig. 1 zeigt beispielhaft die erste Nennkapazität 111 des ersten Energie Speichers 201 und die zweite Nennkapazität 112 des zweiten Energiespeichers 202. In einem bevorzugten Beispiel verfügt der zweite Energie Speicher 202 über eine zweite Nennkapazität 112 von höchstens 25 Ah.
Wie oben dargelegt, kann der zweite Energiespeicher 202 auf die zyklische Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie fokussiert sein (z.B. durch Betrieb innerhalb des Puffer-Spannungsbereichs 105). In diesem Zusammenhang kann der zweite Energiespeicher 202 darauf ausgelegt sein, möglichst hohe
Leistungen aufzunehmen bzw. abzugeben. In einem bevorzugten Beispiel weist der zweite Energiespeicher 202 bei einer 10 sekündigen Entladung bei 25 °C und bei einem 50 % Ladezustand ein P/E- Verhältnis (Entladeleistung-zu- Bruttoenergieinhalt) von mindestens 30 (z.B. von 40) auf. Beispielsweise kann der zweite Energiespeicher 202 bei ca. 25 °C und ca. 50 % Ladezustand eine Entladeleistung von ca. 3 kW an der unteren Entladespannung aufweisen sowie einen Bruttoenergieinhalt von ca. lOOWh bei einer Kapazitätsprüfung mit einem für die verwendete Technologie üblichen Strom, z.B. mit einem einfachen Nennstrom bei Li-Ionen Technologie. Desweiteren wird bevorzugt für den zweiten Energiespeicher 202 eine
Technologie verwendet, die eine relativ hohe Zyklenfestigkeit (insbesondere eine höhere Zyklenfestigkeit als der erste Energie Speicher 201) aufweist.
Beispielsweise kann der zweite Energiespeicher 202 für 3000 oder mehr
Vollzyklen (entsprechend einem entladenden Ladungsumsatz von mindestens 3000 Mal der Nennkapazität) bei einem Kapazitätsverlust von höchstens 20 % sowie bei einem Leistungsverlust von maximal 50 % ausgelegt sein.
Im Vergleich zu einer für den ersten Energiespeicher 201 eingesetzten Blei-Säure- Technologie weisen alle o.g. Konfigurationen für den zweiten Energiespeicher 202 eine substantiell bessere Ladungsaufnahmefähigkeit auf (bei moderaten Temperaturen von größer 10°C). Diese verbesserte Ladungsaufnahmefähigkeit kann im Rahmen einer Rekuperationsfunktion genutzt werden, um den
Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Fig. 2 veranschaulicht einen beispielhaften Betrieb des Bordnetzes 200. Der zweite Energiespeicher 202 kann teilweise oder ausschließlich oberhalb der Vollladung des ersten Energiespeichers 201 betrieben werden. Insbesondere kann der zweite Energiespeicher 202 teilweise oder ausschließlich im Puffer- Spannungsbereich 105 betrieben werden. Dadurch kann die
Rekuperationsfunktion auch ohne oder mit nur geringem Beitrag des ersten Energiespeichers 20 Idargestellt werden. So kann auf einen signifikant
teilentladenen Betrieb des ersten Energiespeichers 201 verzichtet oder dieser zumindest eingeschränkt werden. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer eines auf Blei-Säure-Technologie basierenden ersten Energiespeichers 201 aus. Durch die erhöhte Spannungslage des zweiten Energiespeichers 202 wird die aufgenommene Rekuperationsenergie nach Ende einer Rekuperationsphase in das Bordnetz abgegeben und damit eine Minderung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund des reduzierten Antriebsleistungsbedarfs des Generators 203
herbeigeführt. Durch die Spannungslage wird dabei der erste Energiespeicher 201 hinsichtlich Ladungsumsatz deutlich weniger belastet als der zweite
Energiespeicher 202.
Bei Rekuperation kann die Bordnetzspannung 210 durch eine Steuereinheit 230 des Bordnetzes (z.B. durch ein Steuergerät des Generators 203) angehoben werden, um elektrische Energie im Bereich der Spannungen 212 bis 213 zu generieren. Von dem Generator 203 kann insbesondere elektrische Energie mit einer bestimmten Ladespannung 213 generiert werden. Die Ladespannung 213 kann in oder oberhalb von dem Puffer-Spannungsbereich 105 aus Fig. 1 liegen. Die von dem Generator 203 rekuperierte elektrische Energie wird als Energie 220 gespeichert oder als Energie 221 direkt an Verbraucher 305 des Bordnetzes 200 abgegeben. Die Energie 220 wird primär in dem zweiten Energiespeicher 202 gespeichert. Je nach Spannungslage 212, 213 kann jedoch ein (typischerweise kleiner) Teil 222 der Energie 220 im ersten Energiespeicher 201 gespeichert werden. Aus den Energiespeichern 201, 202 kann dann Energie 225, 224 für das Bordnetz 200 bereitgestellt werden.
Der zweite Energiespeicher 202 wird bevorzugt in einer Technologie ausgeführt (beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie mit einer Lithium- Titanat- Anode), die auch bei relativ tiefen Temperaturen (z.B. bei 0°C oder weniger) über eine im Vergleich zu dem ersten Energiespeicher 201 bessere Ladungsaufnahmefähigkeit verfügt. So kann auch bei niedrigen Außentemperaturen (z.B. bei 0°C oder weniger) ein hoher Ladezustand eines in Blei-Säure-Technologie ausgeführten ersten Energiespeichers 201 sichergestellt werden. Insbesondere kann durch eine relativ hohe Ladungsaufnahmefähigkeit des zweiten Energiespeichers 202 erreicht werden, dass auch bei kurzen Ladephasen, vom Generator 203 erzeugte elektrische Energie 220 von dem zweiten Energiespeicher 202 aufgenommen werden kann. Diese im zweiten Energiespeicher 202 gespeicherte Energie kann dann im Nachgang (z.B. bei einem abgestellten Fahrzeug) durch die passive Kopplung der Parallelschaltung ohne Nutzung aktiver Energiewandlungselemente auf den ersten Energiespeicher 201 übertragen werden (Energie 223 in Fig. 2). Mit anderen Worten, die Blei-Säure-Technologie führt typischerweise zu einer relativ schlechten Ladungsaufnahmefähigkeit des ersten Energiespeichers 201 bei relativ tiefen Temperaturen. Somit kann bei einer Betriebssituation mit kurzen Ladezyklen (z.B. das Fahrten auf kurzen Strecken) aus dem ersten
Energiespeicher 201 entnommene Energie 225 nur unzureichend nachgeladen werden, so dass der Ladezustand des ersten Energiespeichers 201 aufgrund der kurzen Ladephasen absinkt. Durch eine substantielle Ladung des zweiten
Energiespeichers 202 (aufgrund der relativ erhöhten Ladungsaufnahmefähigkeit) kann der zweite Energiespeicher 202 auch bei einem abgestellten Fahrzeug auf den ersten Energie Speicher 201 wie ein Ladegerät wirken und den ersten
Energiespeicher 201 nachladen. So kann ein höherer Ladezustand des ersten Energiespeichers 201 sichergestellt und damit die Lebensdauer des ersten
Energiespeichers 201 verlängert werden.
Durch den Betrieb des Bordnetzes 200 in einem Spannungsbereich 105, der überwiegend oberhalb des VolUadezustands des ersten Energiespeichers 201 liegt, wird der Ladungsumsatz des ersten Energiespeichers 201 deutlich reduziert. Dies hat positive Konsequenzen für die Lebensdauer des ersten Energiespeichers 201.
Dem ersten Energie Speicher 201 kann ein als intelligenter Batteriesensor (IBS) benanntes Steuergerät 301 zugeordnet sein, das den Zustand des ersten
Energiespeichers 201 anhand von Spannung, Strom und optional Temperatur überwacht (siehe Fig. 3). Das erste Speicher-Steuergerät 301 kann beispielsweise Informationen über den Ladezustand und die Leistungsfähigkeit des ersten Energiespeichers 201 ermitteln und einem übergeordneten Steuergerät 230 des Fahrzeugs zu Verfügung stellen. Der zweite Energiespeicher 202 kann ein im Speicher integriertes, als
Batteriemanagementsystem (BMS) benanntes, Steuergerät 302 aufweisen. Das zweite Speicher-Steuergerät 302 kann den Zustand des zweiten Energiespeichers 202 anhand von Spannung, Strom und ggf. Temperatur überwachen. Desweiteren kann das zweite Speicher-Steuergerät 302 beispielsweise Informationen über den Ladezustand und die Leistungsfähigkeit des zweiten Energiespeichers 202 ermitteln, und einem übergeordneten Steuergerät 230 zu Verfügung stellen.
Außerdem kann durch die Spannungsmessung von Untergruppen eines Zellpakets des zweiten Energiespeichers 202 der Symmetrierungsstatus der Zellen 312, d.h. die Gleichverteilung des Lade- und/oder Leistungszustands, erfasst und gegebenenfalls durch aktive (über DC/DC-Wandler) oder passive (über die Parallelschaltung von Widerständen zu den Untergruppen eines Zellpakets, die einen überhöhten Ladezustand aufweisen) Symmetrierung ausgeglichen werden.
Insbesondere bei einer Ausführung des zweiten Energie Speichers 202 in Lithium- Ionen-Technologie kann der zweite Energiespeicher 202 ein elektrisches
Trennelement 304 in Form eines mechanischen oder elektronischen Relais umfassen. Dieses Trennelement 304 kann von dem zweiten Speicher-Steuergerät 302 und/oder von der Steuereinheit 230 angesteuert werden. Durch dieses Trennelement 304 kann der zweite Energiespeicher 202 in, aufgrund von
Sicherheits- oder Alterungsaspekten, kritischen Zuständen vom Bordnetz 200 abgetrennt werden und es können somit weitere Konsequenzen vermieden werden. Alternativ oder ergänzend kann dieses Trennelement 304 im Rahmen der Betriebsstrategie des Bordnetzes 200 dazu verwendet werden, um
• eine Energiereserve für einen Motorstart bei drohender Entladung des ersten Energiespeichers 201 bzw. eines Gesamtenergiespeichersystems vorzuhalten.
· dem ersten Speicher-Steuergerät 301 am ersten Energiespeicher 201
und/oder dem zweiten Speicher-Steuergerät 302 des zweiten Energiespeichers 202 die Möglichkeit einer Ruhespannungsmessung zur Präzisierung des ermittelten Ladezustands des jeweiligen Energiespeichers 201, 202 zu ermöglichen.
• eine Schädigung des ersten Energiespeichers 201 zu vermeiden (z.B. in der im Folgenden beschriebenen Betriebssituation.
Eine beispielhafte Betriebssituation, in der das Öffnen des Trennelements 304 sinnvoll sein kann, ist, wenn der erste Energie Speicher 201 vollgeladen ist und ein relativ hoher Ladezustand des zweiten Energiespeichers 202 vorliegt. Da der erste Energiespeicher 201 bereits vollgeladen ist, kann keine Umladung von dem zweiten Energiespeicher 202 auf den ersten Energiespeicher 201 stattfinden. Allerdings nimmt bei einem auf Blei-Säure-Technologie basierenden ersten Energiespeicher 201 der Gasungsstrom mit steigender Spannung überproportional zu und kann so zu einer Schädigung des ersten Energiespeichers 201 führen. Daher kann es sinnvoll sein, nach dem Abstellen des Fahrzeugs den zweiten Energiespeicher 202 vom Bordnetz 200 mittels des Trennelements bzw.
Schaltelements 304 zu trennen, um eine Schädigung des ersten Energiespeichers 201 zu vermeiden. Wie in Fig. 3 dargestellt, können im Fahrzeugbordnetz 200 die Pluspole der beiden Energiespeicher ESI 201 und ES2 202 über eine entsprechende Leitung verbunden, und die Minuspole jeweils mit der Karosserie als Masse oder direkt miteinander über eine entsprechende Leitung verbunden werden. Bei den
Verbrauchern 305 kann es sich um permanent angebundene oder um über Schaltelemente trennbare Verbraucher handeln. Die Verbraucher 305 sind in den Figuren nur zur Vereinfachung der graphischen Darstellung als ein einzelner Verbraucher dargestellt.
In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel, ist in der Masseleitung des ersten
Energiespeichers 201 der Batteriesensor 301 vorgesehen. Der zweite
Energiespeicher 202 umfasst neben den Speicherzellen 312 das Batteriemanagementsystem 302 und einen Schalter, d.h. ein Trennelement, 304. Der Schalter 304 kann elektronisch oder mechanisch ausgeführt sein und ggf. außerhalb des Gehäuses des zweiten Energiespeichers 302 und/oder im
Massepfad integriert sein. Der Generator 203 kann auch (wie in Fig. 4 dargestellt) als sogenannter Starter-Generator ausgeführt sein. In diesem Fall kann ggf. der Starter 303 entfallen.
Fig. 4 zeigt ein Bordnetz 200 bei dem das Gesamt-Bordnetz 200 durch ein Koppelelement 401 in zwei Teile getrennt werden kann. Insbesondere kann durch das Koppelelement 401 ein Ausmaß des Energieaustausches zwischen dem ersten Energiespeicher 201 und dem zweiten Energiespeicher 202 beeinflusst werden. Das Koppelelement 401 ist zwischen dem ersten Energiespeicher 201 und dem zweiten Energiespeicher 202 angeordnet. Die Bordnetz Verbraucher 305, 405 können in einem der beiden oder ggf. auch parallel in beiden Bordnetzzweigen bzw. Teil-Bordnetzen angebunden werden. Welcher Verbraucher 305, 405 in welchem Bordnetzzweig angeschlossen ist, kann von den
Spannungsstabilitätsanforderungen des jeweiligen Verbrauchers 305, 405 abhängen. Verbraucher 305, die eine Spannung mit einer relativ hohen Stabilität erfordern, können im Bordnetzzweig des zweiten Energie Speichers 202 angeordnet sein, wohingegen Verbraucher 405, die relativ verminderte
Anforderungen an die Stabilität der Versorgungsspannung haben, im
Bordnetzzweig des ersten Energiespeichers 201 angeordnet sein können.
Das Koppelelement 401 kann mittels einer überbrückbaren Diode und/oder mittels eines überbrückbaren Zusatzwiderstands realisiert werden. Insbesondere kann das Koppelelement 401 ein dämpfendes Element (z.B. einen Widerstand) umfassen, durch den bewirkt wird, dass Schwankungen der Bordnetzspannung im ersten Bordnetzzweig, d.h. im Bordnetzzweig des ersten Energiespeichers 201, gedämpft werden, so dass im zweiten Bordnetzzweig, d.h. im Bordnetzzweig des zweiten Energiespeichers 202, relativ verminderte Schwankungen der
Bordnetzspannung auftreten. Das Koppelelement 401 kann zu diesem Zweck derart ausgelegt sein, dass das Koppelelement 401 zwar eine dämpfende Wirkung aufweist, die Potentiale im ersten und zweiten Bordnetzzweig jedoch nicht getrennt werden. Durch die Verwendung eines Koppelelements 401 kann der Energiefluss in einer Richtung (bei Verwendung einer Diode) beziehungsweise durch einen Widerstand in der Intensität beeinflusst werden. Wenn im Koppelelement 401 ein
elektronischer oder mechanischer Schalter verwendet wird, dann können die Bordnetzzweige vollständig voreinander getrennt werden. Die Wahl des
Schaltelements des Koppelelements 401 richtet sich dabei typischerweise nach der Charakteristik des Startsystems 303 in Bezug auf einen Strombedarf sowie nach der Charakteristik der Bordnetz Verbraucher 305, 405 in Bezug auf die Anforderungen hinsichtlich Spannungsstabilität und nach den Eigenschaften der Energiespeicher 201, 202. Insbesondere bei Realisierung einer Motor-Stopp Funktion im sogenannten Segelbetrieb ist dabei die Versorgung aller
sicherheitsrelevanten Verbraucher 305, 405 im vorgesehenen Spannungsbereich zu gewährleisten. Dies kann über eine entsprechende Auslegung und Ansteuerung des Koppelelements 401 dargestellt werden. Fig. 5 zeigt weitere Erweiterungen des Bordnetzes 200 durch parallel oder in
Reihe geschaltete Energiespeicher 502 sowie durch Bordnetzerweiterungen 503, 504, die über ein Schaltelement und/oder über einen DC/DC-Wandler
angekoppelt sind. Derartige Erweiterungen können in Zusammenhang mit den in diesem Dokument beschriebenen Aspekten verwendet werden. Dabei kann in dem Basisbordnetz 501 auch das in Fig. 4 dargestellte Koppelelement 401 verwendet werden.
Figuren 6a, 6b und 6c zeigen beispielhafte Anordnungen der Energiespeicher 201, 202 in einem Fahrzeug 600. Um eine vorteilhafte Gewichtsverteilung im
Fahrzeug 600 zu ermöglichen, wird der erste Energiespeicher 201 bei einem
Fahrzeug 600 mit Heck- Antrieb typischerweise im Heck-Bereich des Fahrzeugs 600 angeordnet. Der zweite Energiespeicher 202 kann, wie in Fig. 6a dargestellt, direkt bei dem ersten Energiespeicher 202 im Heck-Bereich angeordnet werden. Dies hat den Vorteil geringer Anderungsumfänge aufgrund der Verwendung von einem zweiten Energiespeicher 202. Andererseits ergeben sich so relativ große Leitungslängen vom Generator 203 bis zum zweiten Energiespeicher 202 (wenn sich der Generator 203 und der Verbrennungsmotor 601 im Front-Bereich des Fahrzeugs 600 befinden).
Vor dem Hintergrund der Rekuperationsfunktion, in deren Rahmen möglichst hohe Ströme mit bestmöglichem Wirkungsgrad übertragen werden sollen, ist die Länge der Verbindungsleitung zwischen Generator 203 und dem zweiten Energiespeicher 202 von besonderer Bedeutung. Größere Verluste im
Leitungssystem erhöhen die Anforderungen hinsichtlich eines geringen
Ladeinnenwiderstands des zweiten Energiespeichers 202 und führen damit zu höheren Kosten. Außerdem führt die in Fig. 6a dargestellte Anordnung zu langen Leitungen zu den im vorderen Bereich verorteten Hochleistungsverbrauchen, wie beispielsweise Lenkung, Bremssystem und Stabilitätssystem.
Bei der in Fig. 6b dargestellten Anordnung wird der zweite Energiespeicher 202 in unmittelbarer Nähe des Generators 203 verortet. Dadurch ergibt sich typischerweise eine Reduktion des Zuleitung swiderstands um 1,5 - 2 mOhm und eine Reduktion des Gesamtleitungswiderstands von bis zu 50 % (im Vergleich zu der in Fig. 6a dargestellten Anordnung). Außerdem ergibt sich hinsichtlich der Bordnetz Stabilität der Vorteil, dass die Verbraucher 305 im vorderen Bereich des Fahrzeugs 600 (d.h. in der Nähe des zweiten Energiespeichers 202) unmittelbar von der stabilisierenden Wirkung des zweiten Energiespeichers 202 profitieren können.
In Fig. 6c ist eine weitere Anordnung dargestellt, die hinsichtlich des
Rekuperationspotentials und den resultierenden Anforderungen an den zweiten Energiespeicher 202 vergleichbar zu der Anordnung in Fig. 6b ist. Durch die Verortung des ersten Energiespeichers 201 im vorderen Bereich des Fahrzeugs 600 (und damit in relativer Nähe zum Verbrennungsmotor 601 und zum Starter 303) ergeben sich darüber hinaus Vorteile bezüglich der verfügbaren Startleistung für den Starter 303. Außerdem ergeben sich Kostenvorteile aufgrund der geringeren Leitungslängen. Andererseits kann sich eine eingeschränkte
Spannungsstabilität für Verbraucher 405 im Heck-Bereich des Fahrzeugs 600 ergeben. Desweiteren ergibt sich im Rekuperationsfall typischerweise eine höhere Spannung an dem ersten Energiespeicher 201, was sich nachteilig auf die
Lebendauer des ersten Energiespeichers 201 auswirken kann, und was über eine entsprechende Leitungs- und Anbindungsauslegung kompensiert werden kann bzw. muss.
Wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 erläutert, kann im
Rekuperationsfall die Bordnetzspannung 210 auf Ladespannungen 213 im oder oberhalb von dem Puffer-Spannungsbereich 105 angehoben werden. Der Puffer- Spannungsbereich 105 liegt dabei bevorzugt oberhalb der ersten maximalen Ruhespannung 101. Desweiteren sollte gewährleistet werden, dass die
Ladespannung 213 und damit auch die Spannungen im Puffer-Spannungsbereich 105 nicht größer sind als eine erste Maximalspannung, ab der der erste
Energiespeicher 201 geschädigt wird. Bei Blei-Säure-Batterien mit einem festgelegten Elektrolyten liegt die erste Maximalspannung typischerweise bei 14,8 - 15,2 V. Bei Blei-Säure-Batterien mit einem flüssigen Elektrolyten liegt die erste Maximalspannung bei 16,0V. Der Generator 203 kann eingerichtet sein, eine Ausgangsspannung, d.h. eine Ladespannung 213, im Bereich von maximal bis zu 15,5 - 16,0V bereitzustellen. Ggf. können auch höhere Ladespannungen 213 verwendet werden, um hohe Leitungsverluste bei ungünstiger Dimensionierung der selbigen zu kompensieren.
Im Folgenden werden beispielhafte Dimensionierungen eines Bordnetzes 200 beschrieben. Die Ladespannung am ersten Energiespeicher 201 kann 14,8V betragen. Ein maximaler Ausgangsstrom des Generators 203 kann 250A betragen. Es kann angenommen werden, dass der erste Energiespeicher 201 vollgeladen ist und eine erste maximale Ruhespannung 101 von 13V aufweist, und dass der Bordnetzstrom im Heck-Bereich des Fahrzeugs bei 40A liegt, und dass typische Leitungswider stände vorliegen. Die Ruhespannung des zweiten Energiespeichers 202 liegt dann auch bei ca. 13,0V. Um den von dem Generator 203 generierten Strom im Rekuperationsfall vollständig aufnehmen zu können, sollte unter den o.g. Annahmen der zweite Energiespeicher 202 für einen Ladepuls von 10 Sekunden Dauer bei einer typischen Prüftemperatur eines Verbrauchszyklus (20 - 30 °C) einen Innenwiderstand von maximal 8,5 mOhm aufweisen. Wird ein leistungsstärkerer Generator 203 mit 400 A Maximalstrom unter ansonsten gleichen Randbedingungen verwendet, reduziert sich der zulässige
Innenwiderstand auf 5 mOhm. Wenn der zweite Energiespeicher 202 im Heck- Bereich verortet wird (wie in Fig. 6a dargestellt) und die Generatorspannung auf 15,5V beschränkt wird, verschärfen sich die Anforderung bezüglich des
Innenwiderstands auf maximal 7,6 mOhm (bei einem Ausgangstrom von 250A) respektive 2,9 mOhm (bei einem Ausgangsstrom von 400A). Diese höheren Anforderungen an den Innenwiderstand resultieren insbesondere aus dem zusätzlichen Leitungswiderstand zwischen dem Generator 203 und dem zweiten Energiespeicher 202. Es ist somit vorteilhaft, den zweiten Energiespeicher 202 in direkter Nähe zu dem Generator 203 anzuordnen.
Für die Rekuperation sollte ein Ladungshub von ca. 3 Ah verfügbar sein, um in typischen Verbrauchsprüfzyklen eines Fahrzeugs 600 Rekuperationsphasen maximal nutzen zu können. Dieser Ladungshub ist in Fig. 1 mit dem
Referenzzeichen 113 dargestellt. Der Ladungshub sollte dabei im Puffer- Spannungsbereich 105 (z.B. in einem Bereich von 13,0V bis 14,0V) verfügbar sein, um eine Teilentladung des ersten Energiespeichers 201 sowie eine dauerhaft zu hohe Spannung am ersten Energie Speicher 201 (die zu einem signifikant erhöhten Gasungsstrom mit entsprechender Schädigung des ersten
Energiespeichers 201 führen kann) zu vermeiden. Für den o.g. Puffer- Spannungsbereich 105 ergibt sich ein mittleres Spannungsniveau von 13,5V, was zu erhöhten Anforderungen an den Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers 202 auf maximal 6,5 mOhm (250A Generator) beziehungsweise maximal 3,6 mOhm (400A Generator) führt. In dem vorliegenden Dokument wurde eine Vielzahl von Maßnahmen zur
Bereitstellung eines Bordnetzes 200 beschrieben, welches in kosteneffektiver Weise einen hohen Grad an Rekuperation ermöglicht. Insbesondere wurden Bordnetze 200 beschrieben, bei denen ein zweiter Energie Speicher 202 zur Aufnahme von rekuperierter Energie im vorderen Fahrzeugbereich, d.h. in unmittelbarer Nähe zu einem Generator 203, verortet ist. Andererseits kann ein erster Energie Speicher 201 zur Bereitstellung von Stand- und Startenergie im vorderen oder hinteren Fahrzeugbereich verortet sein. Der erste und zweite Energiespeicher 201, 202 können direkt parallel geschaltet sein, beziehungsweise insbesondere in Verbindung mit einem Starter-Generator 403 mit einem
Koppelelement 401 ausgerüstet und verbunden sein.
In bevorzugten Beispielen besteht der zweite Energiespeicher 202 aus einer oder mehrerer der in diesem Dokument beschriebenen Energiespeicherkonfigurationen. Typischerweise ist eine Bruttokapazität von maximal 25 Ah für den zweiten Energiespeichers 202 für die in diesem Dokument beschriebene
Rekuperationsfunktion ausreichend, so dass der zweite Energiespeicher 202 in kostengünstiger Weise implementiert werden kann. Wie in diesem Dokument dargelegt, wird der zweite Energiespeicher 202 primär für die zyklische
Aufnahme und Bereitstellung von rekuperierter elektrischer Energie verwendet, so dass der zweite Energiespeicher 202 ein möglichst hohes P/E- Verhältnis von mindestens 30 bei 25 °C (Entladung 10 Sekunden zu Bruttonennenergieinhalt) aufweisen sollte. Um in Rekuperationsphasen die generierte Energie möglichst vollständig aufnehmen zu können, kann der zweite Energiespeicher 202 einen Ladungshub von 3 Ah im Ruhespannungsbereich 13,0V bis 14,0V aufweisen. Außerdem kann der zweite Energiespeicher 202 einen Innenwiderstand gegenüber Ladung von maximal 6,5mOhm aufweisen, bei einer Ladung für 10 Sekunden bei 25 °C, startend bei einer Ruhespannung, die bei 50 % Energieinhalt im
Ruhespannungsbereich 13,0 V - 14,0 V liegt.
Für die in diesem Dokument beschriebene Aufteilung der Funktionen, kann der erste Energiespeicher 201 mindestens die 3fache Kapazität des zweiten
Energiespeichers 202 aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Bordnetz (200) für ein Fahrzeug (600), wobei das Bordnetz (200) umfasst,
- einen ersten Energie Speicher (201), der eine erste maximale
Ruhespannung (101) bei Vollladung des ersten Energiespeichers (201) aufweist;
- einen zweiten Energiespeicher (202), der eine zweite maximale
Ruhespannung (104) bei Vollladung des zweiten Energiespeichers (201) aufweist; wobei die zweite maximale Ruhespannung (104) höher ist als die erste maximale Ruhespannung (101);
- einen Generator (203), der eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (200) zu generieren; und
- eine Steuereinheit (230), die eingerichtet ist,
- einen Rekuperations-Betrieb des Fahrzeugs (600) zu
detektieren; und
- während das Fahrzeug (100) im Rekuperations-Betrieb ist, den Generator (203) zu veranlassen, elektrische Energie mit einer Ladespannung (213) zu generieren, die in oder oberhalb von einem Puffer-Spannungsbereich (105) liegt; wobei der Puffer- Spannungsbereich (105) zwischen der ersten maximalen
Ruhespannung (101) und der zweiten maximalen
Ruhespannung (104) liegt.
2) Bordnetz (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (230) eingerichtet ist, während das Fahrzeug (600) im Rekuperations-Betrieb ist, den Generator
(203) zu veranlassen, elektrische Energie ausschließlich mit einer
Ladespannung (213) zu generieren, die in oder oberhalb von einem Puffer- Spannungsbereich (105) liegt. 3) Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste maximale Ruhespannung (101) gleich wie oder kleiner als 13V ist; und/oder
- die zweite maximale Ruhespannung (104) gleich wie oder größer als 14V ist; und/oder
- der Puffer-Spannungsbereich (105), ggf. ausschließlich, Spannungen zwischen 13V und 14V umfasst.
Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der erste Energiespeicher (201) eingerichtet ist, elektrische Stand- und Startenergie für das Fahrzeug (600) bereitzustellen; und/oder
- der zweite Energiespeicher (202) eingerichtet ist, in zyklischer Weise elektrische Energie zu speichern und bereitzustellen, insbesondere in 3000 oder mehr Vollzyklen bei einem Verlust einer Kapazität (112) des zweiten Energiespeichers (202) von 20% oder weniger und/oder bei einem Leistungsverlust von 50% oder weniger.
Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Energiespeicher (202) eine Nennkapazität (112) aufweist, die einem Drittel oder weniger einer Nennkapazität (111) des ersten Energiespeichers (201) entspricht.
Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher (201) eine Batterie-Zelle umfasst, die auf Blei-Säure- Technologie basiert.
Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Energiespeicher (202) ein oder mehrere umfasst von,
- zehn in Reihe geschaltete Zellen, welche auf Nickel-Metall-Hydrid- Technologie basieren;
- eine Reihenschaltung von vier Zellen, welche auf Lithium- Ionen- Technologie basieren, mit einer Metalloxid-Kathode, insbesondere einer Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder einer Lithium-Mangan- Oxid (LMO) Kathode, und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode;
- eine Reihenschaltung von vier Zellen, welche auf Lithium- Ionen- Technologie basieren, mit einer Lithium-Eisenphosphat- Kathode
(LFP) und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode;
- eine Reihenschaltung von sechs Zellen, welche auf Lithium- Ionen- Technologie basieren, mit einer Metalloxid-Kathode, insbesondere einer Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder einer Lithium-Mangan- Oxid (LMO) Kathode, und mit einer auf Lithium-Titanat (LTO) basierenden Anode; und/oder
- eine Reihenschaltung von acht Zellen, welche auf Lithium- Ionen- Technologie basieren, mit einer Lithium-Eisenphosphat- Kathode (LFP) und einer auf Lithium-Titanat (LTO) basierenden Anode.
8) Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Energiespeicher (202)
- eine Nennkapazität (112) von höchstens 25 Ah aufweist; und/oder
- ein Verhältnis von Entladeleistung-zu-Bruttoenergieinhalt von
mindestens 30 aufweist, insbesondere bei einer Betriebstemperatur von
25°C und bei einem Ladezustand von 50%; und/oder
- im Puffer-Spannungsbereich (105) einen Ladungshub (113) von 3 Ah oder mehr aufweist; und/oder
- einen Innenwiderstand von 6,5 mOhm oder weniger aufweist,
insbesondere bei einem Ladezustand von 50%, bei einer
Betriebstemperatur von 25°C und/oder im Puffer-Spannungsbereich (105).
9) Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Energiespeicher (202) bei Betriebstemperaturen von 0°C oder weniger eine Ladungsaufnahmefähigkeit aufweist, die höher ist als eine
Ladungsaufnahmefähigkeit des ersten Energiespeichers (201).
10) Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Bordnetz (200) ein Trennelement (304) umfasst, das eingerichtet ist, einen Stromfluss zwischen dem zweiten Energiespeicher (202) und dem Bordnetz (200) zu unterbinden; und
- die Steuereinheit (230) eingerichtet ist,
- das Vorliegen von ein oder mehreren Trennbedingungen zu ermitteln; und
- bei Vorliegen von ein oder mehreren Trennbedingungen, das Trennelement (304) zu veranlassen, den Stromfluss zwischen dem zweiten Energie Speicher (202) und dem Bordnetz (200) zu unterbinden;
wobei die ein oder mehreren Trennbedingungen ein oder mehrere umfassen von:
- eine erste Trennbedingung, bei der der erste Energiespeicher (201) einen Ladezustand aufweist, der gleich wie oder größer als ein vordefinierter erster Lade-Schwellenwert ist, bei der der zweite Energiespeicher (202) einen Ladezustand aufweist, der gleich wie oder größer als ein vordefinierter zweiter Lade-Schwellenwert ist, und bei der sich das Fahrzeug (600) in einer Ruhephase befindet; und/oder
- eine zweite Trennbedingung, bei der ein Indiz dafür vorliegt, dass elektrische Energie für einen Notstart des Fahrzeugs (600) vorzuhalten ist; und /oder
- eine dritte Trennbedingung, bei der ein Indiz dafür vorliegt, dass eine Ruhespannungsmessung am ersten Energiespeicher (201) und/oder am zweiten Energiespeicher (202) durchgeführt werden soll. 11) Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Bordnetz (200) einen überbrückbaren Zusatzwiderstand (401) umfasst, der das Bordnetz (200) in einen ersten Teil mit dem ersten Energiespeicher (201) und in einen zweiten Teil mit dem zweiten Energiespeicher (202) aufteilt; und
- die Steuereinheit (230) eingerichtet ist, zu veranlassen, dass in einem
Segelbetrieb des Fahrzeugs (600) bei Aktivierung eines Starters (303) eine Überbrückung des überbrückbaren Zusatzwiderstands (401) aufgehoben wird. 12) Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Generator (203) in einem ersten Bereich des Fahrzeugs (600)
angeordnet ist;
- der erste Bereich entweder einen Front-Bereich oder einen Heck- Bereich des Fahrzeugs (600) umfasst; und
- der zweite Energiespeicher (202) im ersten Bereich des Fahrzeugs
(600) angeordnet ist.
13) Bordnetz (200) gemäß Anspruch 12, wobei der erste Energiespeicher (201)
- im ersten Bereich angeordnet ist; oder
- in einem zweiten Bereich angeordnet ist, der einem Bereich des
Fahrzeugs (600) entspricht, der dem ersten Bereich entgegengesetzt ist.
14) Bordnetz (200) für ein Fahrzeug (600), wobei das Bordnetz (200) umfasst,
- einen ersten Energie Speicher (201); wobei der erste Energie Speicher (201) eine Batterie-Zelle umfasst, die auf Blei-Säure-Technologie basiert; und
- einen zweiten Energiespeicher (202); wobei der zweite
Energiespeicher (202) ein oder mehrere umfasst von,
- zehn in Reihe geschaltete Zellen, welche auf Nickel-Metall- Hydrid-Technologie basieren; - eine Reihenschaltung von vier Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Metalloxid-Kathode, insbesondere einer Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder einer Lithium-Mangan-Oxid (LMO) Kathode, und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode;
- eine Reihenschaltung von vier Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Lithium-Eisenphosphat- Kathode (LFP) und mit einer auf Kohlenstoff basierenden Anode;
- eine Reihenschaltung von sechs Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Metalloxid-Kathode, insbesondere einer Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder einer Lithium-Mangan-Oxid (LMO) Kathode, und mit einer auf Lithium- Titanat (LTO) basierenden Anode; und/oder
- eine Reihenschaltung von acht Zellen, welche auf Lithium- Ionen-Technologie basieren, mit einer Lithium-Eisenphosphat- Kathode (LFP) und einer auf Lithium-Titanat (LTO) basierenden Anode.
15) Bordnetz (200) für ein Fahrzeug (600), wobei das Bordnetz (200) umfasst,
- einen ersten Energie Speicher (201); und
- einen zweiten Energiespeicher (202);
wobei
- der zweite Energiespeicher (202) eine Nennkapazität (112) aufweist, die ein Drittel oder weniger einer Nennkapazität (111) des ersten Energiespeichers (201) entspricht; und/oder
- der zweite Energiespeicher (202) bei Betriebstemperaturen von 0°C oder weniger eine Ladungsaufnahmefähigkeit aufweist, die höher ist als eine Ladungsaufnahmefähigkeit des ersten Energiespeichers (201); und/oder - der zweite Energiespeicher (202) eine Nennkapazität (112) von höchstens 25 Ah aufweist; und/oder
- der zweite Energiespeicher (202) ein Verhältnis von Entladeleistung- zu-Bruttoenergieinhalt von mindestens 30 aufweist, insbesondere bei einer Betriebstemperatur von 25 °C und bei einem Ladezustand von
50%; und/oder
- der zweite Energiespeicher (202) für einen Rekuperations-Betrieb des Fahrzeugs (600) einen Ladungshub (113) von 3 Ah oder mehr aufweist; und/oder
- einen Innenwiderstand von 6,5 mOhm oder weniger aufweist,
insbesondere bei einem Ladezustand von 50%, bei einer
Betriebstemperatur von 25°C.
16) Bordnetz (200) für ein Fahrzeug (600), wobei das Bordnetz (200) umfasst, - einen ersten Energie Speicher (201);
- einen zweiten Energiespeicher (202);
- einen Generator (203), der eingerichtet ist, elektrische Energie für das Bordnetz (200) zu generieren; und
wobei
- der Generator (203) in einem ersten Bereich des Fahrzeugs (600)
angeordnet ist;
- der erste Bereich entweder einen Front-Bereich oder einen Heck- Bereich des Fahrzeugs (600) umfasst; und
- der zweite Energiespeicher (202) im ersten Bereich des Fahrzeugs (600) angeordnet ist,
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