Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes

Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemanagementsystem und ein

Computerprogramm, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie ein Bordnetz und ein Kraftfahrzeug, auf weichen das Verfahren ausgeführt werden kann.

In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 Volt betrieben wird. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz von einer

Starterbatterie eine Spannung einem Starter zur Verfügung gestellt, welcher den

Verbrennungsmotor startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie wieder auf. Wird die Batterie über das Bordnetz geladen, kann die tatsächliche Spannung auch über der Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V. Das Bordnetz mit 12 V, bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als ein Niederspannungsbordnetz bezeichnet.

Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer

Nennspannung von 48 V zu verwenden, welches im Rahmen der Erfindung auch als ein Hochspannungsbordnetz bezeichnet wird. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und ein Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen Starter-Generator aufweist, wobei das Hochspannungsteilnetz mit dem

Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden ist, welche eingerichtet ist, dem Hochspannungsteilnetz Energie zu entnehmen und dem Niederspannungsteilnetz zuzuführen, wobei das Hochspannungsteilnetz eine Batterie aufweist, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz auszugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen aufweist, die an die

Koppeleinheit geführt sind, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz selektiv zuzuschalten. Ein Wechsel zwischen einer ersten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit auf eine zweite, dem

Niederspannungsteilnetz zuzuschaltende Batterieeinheit erfolgt dabei in folgenden Schritten: a) Trennen einer Leitung zwischen einer ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit; b) Zuschalten der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem

Niederspannungsteilnetz; c) Abschalten der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem

Niederspannungsteilnetz; d) Verbinden der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz

abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit. Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische

Verbraucher betrieben werden können, die auf eine niedrige erste Spannung ausgelegt sind, und für Hochleistungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d.h. das

Teilbordnetz mit der gegenüber der ersten Spannung erhöhten Spannung. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes wird den Lade- und Entladevorgängen im

Hochspannungsteilnetz überlagert. Die Niederspannungsteilnetzversorgung über das Hochspannungsteilnetz findet dabei unidirektional statt, d. h. die Koppeleinheit stellt den Energietransfer bevorzugt nur in eine Richtung bereit.

Das Verfahren bietet ein vorteilhaftes Umschaltkonzept, welches erlaubt, dass die

Versorgung des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei erfolgt, d.h., dass auch bei Umschaltvorgängen das Niederspannungsteilnetz aus mindestens einer Batterieeinheit versorgt wird. Hierdurch können Spannungseinbrüche im Niederspannungsteilnetz auch ohne zusätzliche Puffereinrichtungen vermieden werden. Die Batterie steht während der Umschaltvorgänge dem Hochspannungsteilnetz weiterhin als Speicher zur Verfügung. Dabei kann die Spannung kurzzeitig unter dem Nennwert liegen, es ist jedoch ein Energiefluss in beiden Richtungen, d.h. Laden und Entladen der Batterie, möglich.

Die Begriffe„Batterie" und„Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein

Batteriemodul, einen Modulstrang oder einen Batteriepack bezeichnen können. Die

Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können so genannte Batteriedirektkonverter (BDC, battery direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, battery direct inverter).

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.

So ist von Vorteil, wenn die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten jeweils zur

Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt sind. Die Batterieeinheiten können damit abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start- Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheit führt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen rückwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die rückwärtssperrfähigen Schalter zur Zu- und Wegschaltung einer selektiv zuschaltbaren Batterieeinheit zum

Niederspannungsteilnetz. Diese Schalter besitzen die Eigenschaft, dass sie im Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und im Zustand„aus" eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können.

Bei der Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt b) werden bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit im Schritt c) werden ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter zur Serienschaltung der selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung der Leitung zwischen der ersten, zugeschalteten und der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit im Schritt a) zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen der ersten, vom Niederspannungsteilnetz abgeschalteten Batterieeinheit und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz zugeschalteten Batterieeinheit zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit nach der Zuschaltung der zweiten,

zuzuschaltenden Batterieeinheit zu dem Niederspannungsteilnetz im Schritt b) und vor der Abschaltung der ersten, zugeschalteten Batterieeinheit von dem Niederspannungsteilnetz im Schritt c), bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei stark abweichenden Ladezuständen der beiden Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen Batterieeinheit erfolgt, welche den höheren Ladezustand aufweist bzw. die höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus beiden Batterieeinheiten versorgt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zugeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zuzuschaltende Batterieeinheit bzw. die erste, abgeschaltete Batterieeinheit und die zweite, zugeschaltete Batterieeinheit, bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet. Besonders bevorzugt sind die erste und die zweite Batterieeinheit, bei verbundener Leitung zwischen ihnen, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet und benachbart. Falls ein Wechsel auf eine nicht direkt benachbarte Batterieeinheit erforderlich ist, werden mehrere Umschaltvorgänge in kurzer Abfolge nacheinander durchgeführt, sodass in jedem Umschaltvorgang benachbarte Batterieeinheiten involviert sind.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen Kondensator aufweist. Der Kondensator ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Niederspannung bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit weiter zu stabilisieren. Die

Dimensionierung des Kondensators ist dabei bevorzugt gemäß

"^max ^ umschalt

AU max gewählt, wobei l _max der maximale Bordnetzstrom ist, der während Umschaltvorgängen im Niederspannungsteilnetz fließen soll, t _umsch ait die Zeitdauer, während der keine Batterieeinheit für die Versorgung bereitsteht, und AU _max die maximal zulässige Veränderung der

Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs. Der Kondensator eignet sich außerdem bevorzugt auch als ein Energiespeicher, welcher eingerichtet ist, zumindest kurzfristig die Niederspannung zu erzeugen und an das Niederspannungsteilnetz auszugeben.

Der Spannungseinbruch im Niederspannungsteilnetz kann weiter vorteilhaft verringert werden, wenn die Umschaltung zu solchen Zeitpunkten erfolgt, bei denen der Bordnetzstrom möglichst gering ist. Dieses kann beispielsweise durch Auswertung eines Signals für den Bordnetzstrom und davon abhängiger Ansteuerung der Schalter der Koppeleinheit erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine Synchronisierung mit einem

Verbrauchermanagementsystem erfolgen, um Hochleistungsverbraucher, wie z.B.

Heizsysteme, kurzzeitig ohne Komforteinbußen abzuschalten, um den Umschaltvorgang der Batterieeinheiten ohne nennenswerten Spannungseinbruch zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung einer Einrichtung zum Betrieb eines Bordnetzes oder um ein Modul zur Implementierung eines

Batteriemanagementsystems eines Fahrzeugs handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium, oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher, wie einer CD-ROM, DVD, Blu-ray Disk, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich und alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung, wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt, welches Einrichtungen aufweist, um eines der beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes durchzuführen. Insbesondere weist das Batteriemanagementsystem eine Einheit auf, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit so anzusteuern, dass Batterieeinheiten dem Niederspannungsteilnetz zugeschaltet und weggeschaltet werden. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Bordnetz angegeben, auf welchem eines der beschriebenen Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die Koppeleinheit eingerichtet ist, die Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell und bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel miteinander zu koppeln. Das Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.

Insbesondere kann das Bordnetz bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp- Systeme aufweisen. Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und das Batteriemanagementsystem eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die einen 48-Volt-Generator und einen 14-Volt- Starter aufweisen, wobei der 14-Volt-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, die ein sogenanntes Boost-Rekuperationssystem (BRS) aufweisen. Bei Boost- Rekuperationssystemen (BRS) wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei

Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das BRS erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im Hochspannungsteilnetz unterstützt entweder den Verbrennungsmotor, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder es wird bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken sogar für rein elektrisches Fahren eingesetzt, z.B. bei einem elektrischen Ein- und Ausparken. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem

Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz.

Vorteile der Erfindung Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem für Fahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, beispielsweise mit einem 48-Volt- Generator, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperationssystem mit

unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender DC/DC-Wandler entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie. Außerdem ist kein separater Starter im Niederspannungsteilnetz nötig. Das Boost-Rekuperationssystem kann bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen BRS-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.

Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Betriebsstrategie, welche die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes unterbrechungsfrei ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein Niederspannungsbordnetz nach dem Stand der Technik,

Figur 2 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem

Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler, Figur 3 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem

Niederspannungsteilnetz und einem bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC Wandler,

Figur 4 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem

Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler,

Figur 5 eine Koppeleinheit,

Figur 6 die Koppeleinheit aus Figur 5 in einem beispielhaften Betriebszustand, und

Figur 7 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter.

Figur 1 zeigt ein Bordnetz 1 nach dem Stand der Technik. Beim Starten eines

Verbrennungsmotors wird über das Bordnetz 1 von einer Starterbatterie 10 eine Spannung einem Starter 1 1 zur Verfügung gestellt, welcher den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) startet, wenn beispielsweise durch ein entsprechendes Startersignal ein Schalter 12 geschlossen wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, treibt dieser einen elektrischen Generator 13 an, welcher dann eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt und über das Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Fahrzeug zur Verfügung stellt. Der elektrische Generator 13 lädt dabei auch die durch den Startvorgang belastete Starterbatterie 10 wieder auf.

Figur 2 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem

Niederspannungsteilnetz 21 und einem unidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC- Wandler 22, der eine Koppeleinheit zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers, sein.

Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-Volt-Bordnetz mit einem elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, in

Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs eine elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst weiterhin eine Batterie 24, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die nötige Betriebsspannung dem Hochspannungsteilnetz auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Lastwiderstände 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der Hochspannung betrieben werden.

Im Niederspannungsteilnetz 21 , welches ausgangsseitig an dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet ist, befinden sich ein Starter 26, der eingerichtet ist, einen Schalter 27 zu schließen um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, eine Nennspannung in Höhe von 12 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind weitere Verbraucher 29 angeordnet, die mit der Niederspannung betrieben werden. Der Energiespeicher 28 umfasst beispielsweise galvanische Zellen, insbesondere solche einer Blei-Säurebatterie, welche in vollgeladenem Zustand (state of Charge, SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 Volt aufweist. Bei entladener Batterie (state of Charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 Volt auf. Die Bordnetzspannung im Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 Volt und 15 Volt.

Der DC/DC-Wandler 22 ist eingangsseitig mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und mit dem Generator 23 verbunden. Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgangsseitig mit dem

Niederspannungsteilnetz 21 verbunden. Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgebildet, eine eingangsseitig empfangene Gleichspannung, beispielsweise eine Gleichspannung, mit der das Hochspannungsteilnetz betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 Volt, zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche von der eingangsseitig empfangenen Spannung verschieden ist, insbesondere eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche kleiner ist als die eingangsseitig empfangene Spannung, beispielsweise 12 V oder 14 V.

Figur 3 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem

Niederspannungsteilnetz 21 , welche durch einen bidirektionalen, potentialtrennenden DC/DC-Wandler 31 verbunden sind. Das dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in Figur 2 dargestellte Bordnetz ausgebildet, wobei der Generator im Hochspannungsteilnetz eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den Teilbordnetzen 20, 21 ein DC/DC- Wandler 31 zum Einsatz kommt, der potentialtrennend ausgeführt ist. In beiden Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, 28 und Verbraucher 25, 29 angeordnet, wie mit Bezug zu Figur 2 beschrieben. Im Wesentlichen unterscheidet sich das in Figur 3 dargestellte System durch die Einbindung des Starters. Während in dem in Figur 2 dargestellten System der Starter 26 im Niederspannungsteilnetz 21 angeordnet ist und hierdurch der DC/DC- Wandler 22 unidirektional für einen Energietransport vom Hochspannungsteilnetz 20 in das Niederspannungsteilnetz 21 ausgelegt sein kann, wird bei der in Figur 3 dargestellten Architektur ein Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20 eingesetzt. In diesem Fall ist der DC/DC-Wandler 31 bidirektional ausgeführt, sodass die Lithium-Ionen-Batterie 24 ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des

Niederspannungsfahrzeugs erfolgt dann über die Niederspannungsschnittstelle und den DC/DC-Wandler 31 .

Figur 4 zeigt ein Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem

Niederspannungsteilnetz 21 , beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Fahrzeugen mit einem 48-Volt-Generator, einem 14-Volt- Starter und einem Boost-Rekuperationssystem. Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen Starter-Generator 30, welcher einen

Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) starten kann und von diesem betreibbar ist. Der Starter-Generator 30 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Fahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Lastwiderstände 25 angeordnet, welche beispielsweise durch wenigstens einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs gebildet sein können, die mit der

Hochspannung betrieben werden.

Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst außerdem eine Batterie 40, welche beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann und welche eingerichtet ist, die

Betriebsspannung von 48 Volt dem Hochspannungsteilnetz auszugeben. Die Lithium-Ionen- Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 Volt bevorzugt eine Mindestkapazität von ca. 15 Ah auf, um die erforderliche elektrische Energie speichern zu können. Die Batterie 40 weist mehrere Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n auf, wobei den

Batterieeinheiten 41 mehrere Batteriezellen zugeordnet sind, welche üblicherweise in Serie und teilweise zusätzlich parallel zueinander geschaltet werden, um die geforderten

Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie 40 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt.

Den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind Einzelspannungsabgriffe 80-1 1 , 80-12, 80-21 , 80-22, ...80-n1 , 80-n2 zugeordnet, über welche die Spannung einer Koppeleinheit 33 zugeführt wird. Die Koppeleinheit 33 hat die Aufgabe, zumindest eine der Batterieeinheiten 41 der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetzt 21 zu dessen Betrieb oder

Unterstützung durchzuschalten.

Die Koppeleinheit 33 koppelt das Hochspannungsteilnetz 20 mit dem

Niederspannungsteilnetz 21 und stellt ausgangsseitig dem Niederspannungsteilnetz 21 die nötige Betriebsspannung bereit, beispielsweise 12 V oder 14 V. Der Aufbau und die

Funktionsweise der Koppeleinheit 33 werden mit Bezug zu den Figuren 5 und 6 beschrieben.

Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer

Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lithium-Ionen-Batterie 40 die Versorgung von Ruhestromverbrauchern, welche als Verbraucher 25, 29 dargestellt sind, bei abgestelltem Fahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Fahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie während der Standzeit die Ruheströme der Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.

Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Hochleistungsspeicher 28 oder Pufferspeicher angeordnet, der kurzzeitig sehr hohe Leistung abgeben kann, d. h. auf Hochleistung optimiert ist. Der Hochleistungsspeicher 28 erfüllt den Zweck, dass Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41 weiter vermieden werden. Wird als

Hochleistungsspeicher 28 ein Kondensator eingesetzt, so ist dessen Dimensionierung bevorzugt: AU wobei Lax der maximale Bordnetzstrom ist, der während der Umschaltvorgänge im I fließen kann, t _umsch ait die Zeitdauer, während welcher keine Batterieeinheit 41 für die

Versorgung bereit steht, und AU _max die maximal zulässige Veränderung der

Bordnetzspannung während des Umschaltvorgangs.

Das in Figur 4 dargestellte Bordnetz kann weiterhin ein Batteriemanagementsystem (BMS) umfassen (nicht dargestellt). Das Batteriemanagementsystem umfasst ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie 40 bzw. der Batterieeinheiten 41 zu erfassen, zu verarbeiten und hieraus beispielsweise Aussagen über den

Gesundheitszustand der Batterie 40 zu treffen. Das Batteriemanagementsystem umfasst dabei eine Einheit, welche eingerichtet ist, die Koppeleinheit 33 so zu regeln, dass diese die Batterieeinheiten 41 selektiv im Niederspannungsteilnetz 21 zuschalten kann.

Figur 5 zeigt eine Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45, welche die Eigenschaft aufweisen, dass sie in einem Zustand„ein" einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen und in einem zweiten Zustand„aus" eine Sperrspannung beiderlei Polarität aufnehmen können. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einfachen Halbleiterschaltern, wie z.B. IGBT-Schaltern, da diese in Rückwärtsrichtung aufgrund ihrer intrinsischen Diode keine Sperrspannung aufnehmen können. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromflussrichtung sind in Figur 5 zwei verschiedene Schaltertypen eingezeichnet, nämlich RSSJ 45 und RSS_r 44, die sich in ihrer Fertigung nicht unterscheiden, sondern lediglich mit unterschiedlicher Polarität verbaut sind. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 wird mit Bezug zu Figur 7 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 sind die Einzelabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 jeweils einem der unterschiedlichen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 und RSS_r 44 zugeführt. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 mit dem Pluspol 52 verschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind

ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf den Minuspol 51 geschaltet. Die Koppeleinheit 33 umfasst vorwärtssperrfähige Schalter 90, welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter 90 wird mit Bezug zu Figur 7 beschrieben. In der

Koppeleinheit 33 werden die Einzelabgriffe 80 der Batterieeinheiten 41 verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90 verbinden die Batterieeinheiten 41 seriell miteinander, falls die Schalter 90 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41 ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 angeordnet, sodass sich bei n Batterieeinheiten 41 n-1 vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , VSS 90-2, ...VSS 90-n-1 vorgesehen sind.

Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des

Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41 zugeschaltet ist bzw. sind. In keinem der Betriebszustände weist eines der Potentiale jedoch einen Betrag auf, der eine Spannungsgrenze in Höhe der Summe der Hochspannung und der

Niederspannung überschreitet, d.h. bei einem 48-Volt-Netz und einem 14-Volt-Netz in etwa 62 Volt. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des

Niederspannungsteilnetzes auftreten.

Der Betrieb des Starter-Generators 30 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes. In der durchgeschalteten

Batterieeinheit 41 , die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine

Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Starter-Generator 30 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (Motorbetrieb). Solange die zulässigen Grenzen der Batteriezellen, z.B. der maximal zulässige Entladestrom der Zellen, nicht überschritten werden, können diese Vorgänge unabhängig voneinander betrachtet werden. Damit das Niederspannungsteilnetz 21 sicher versorgt wird, wird immer zumindest eine der Batterieeinheiten 41 über die zugehörigen Schalter 44, 45, 90 der Koppeleinrichtung 33 zugeschaltet. Aufgrund der mehrfach redundanten Versorgung des

Niederspannungsteilnetzes 21 kann mit der vorgestellten Architektur ein System aufgebaut werden, welches eine sehr hohe Verfügbarkeit der elektrischen Energie im

Niederspannungsteilnetz aufweist. Figur 6 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus den

Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSSJ 45-j, RSS_r 44-i, RSS_r 44-j und den geöffneten vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , welcher sich zwischen den Batterieeinheiten 44-1 , 44-2 befindet. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die erste Batterieeinheit 44-1 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS r 44-j zum Minuspol 51 . Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-j über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51. Da der Schalter 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41 -1 und die zweite Batterieeinheit 41 -2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Der Pluspol der ersten Batterieeinheit 41 -1 ist elektrisch hochohmig geschaltet.

Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 schlägt die

Erfindung ein Umschaltverfahren vor, bei welchem in einem ersten Schritt a) die Leitung zwischen der ersten zugeschalteten Batterieeinheit, hier beispielhaft die Batterieeinheit 41 -1 , und der zweiten zugeschalteten Batterieeinheit, hier beispielhaft die Batterieeinheit 41 -2, mittels des in der Leitung angeordneten vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90-1 getrennt wird. Nach dem Schritt a) hat die Batterie 40 eine Gesamtspannung von 36 Volt, welche dem Hochspannungsteilnetz 20 bereitgestellt wird, sodass dem Hochspannungsteilnetz 20 ein bidirektionaler Energiefluss ermöglicht ist. Die weiteren Batterieeinheiten 41 -2, ... 41 -n bilden dabei eine Serienschaltung von n-1 Batterieeinheiten.

In einem zweiten Schritt b) erfolgt daraufhin, mit einer Verzögerung, deren Dauer im

Wesentlichen von Eigenschaften der eingesetzten Schalter 44, 45, 90 abhängt, die

Zuschaltung der zweiten, zuzuschaltenden Batterieeinheit 41 -2 zu dem

Niederspannungsteilnetz 21 . Figur 6 zeigt den Zustand nach Schritt b) in dem die beiden Batterieeinheiten 41 -2 und 41 -1 parallel geschaltet sind. Die Verzögerung zwischen dem Aus- und Einschalten ist erforderlich, da sonst die Spannung im Niederspannungsteilnetz 21 während der Übergangsphase in allen Schaltvorgängen auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde, in dem in Figur 6 dargestellten Fall auf die Summe der Spannungen der Teilbatterien 41 -1 und 41 -2, also auf den doppelten Wert. Wenn die Koppeleinrichtung 33 mit einer Verzögerungszeit geschaltet wird, bedeutet dies aber, dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 kurzzeitig unterbrochen wird. Um einen unzulässigen Spannungseinbruch zu vermeiden, kann gemäß einigen Ausführungsformen eine Pufferung mittels des Kondensators 28 vorgenommen werden, wie mit Bezug zu Figur 4 beschrieben. In einem dritten Schritt c) erfolgt, falls ein Wechsel der dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41 vorgesehen ist, die Abschaltung der ersten,

zugeschalteten Batterieeinheit 41 -1 von dem Niederspannungsteilnetz 21. In einem vierten Schritt d) wird die Verbindung der Leitung zwischen der ersten, vom

Niederspannungsteilnetz 21 abgeschalteten Batterieeinheit 41 -1 und der zweiten, dem Niederspannungsteilnetz 21 zugeschalteten Batterieeinheit 41 -2 über den

vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 wieder hergestellt. Nach der Wiederherstellung der Verbindung ist die Kommutierung von der ersten auf die zweite Batterieeinheit

abgeschlossen, ohne dass die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 unterbrochen wurde.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im Schritt a) sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter 90 ausgeschaltet werden. Der Starter-Generator 30 speist in der Umschaltphase keine Energie in das Hochspannungsteilnetz und arbeitet auch nicht im Boostbetrieb. Mit kurzer Verzögerung, deren Dauer von Eigenschaften der eingesetzten Schalter abhängt, werden die rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 der zugeordneten zuzuschaltenden Batterieeinheit oder Batterieeinheiten 41 eingeschaltet. Somit kann die Umschaltung auch zwischen nicht direkt benachbarten Batterieeinheiten 41 erfolgen. Figur 7 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern 90. Die Durchlassrichtung ist dabei mit I angegeben. Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET oder Bipolartransistor 101 und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In Figur 8 ist ein

MOSFET 101 dargestellt, welcher eine mit dargestellte, intrinsische Diode 102 aufweist. Die zu dem MOSFET 101 in Serie geschaltete Diode 103 ist entgegen der Richtung der intrinsischen Diode 102 des MOSFET 101 gepolt. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSS_r 44 lässt den Strom in Durchlassrichtung I durch und sperrt in entgegengesetzter Richtung. Der rückwärtssperrfähige Schalter RSSJ 45 entspricht dem RSS_r 44, wird lediglich mit der umgekehrten Polarität verbaut, so dass die Durchlass- und Sperrrichtungen vertauscht sind. Ein vorwärtssperrfähiger Schalter 90 umfasst einen MOSFET, IGBT oder Bipolartransistor 101 , wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist. Die Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und VSS 90 zeichnen sich insbesondere auch durch eine kaum merkliche Verzögerung bei den Schaltvorgängen aus, d. h. erlauben eine sehr kurze Umschaltdauer. Über eine geeignete Ansteuerschaltung kann die Zeitverzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten der Schalter sehr genau eingestellt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.