Bordnetz und Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.

In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird zur Versorgung des elektrischen Anlassers oder Starters für den Verbrennungsmotor sowie weiterer elektrischer Vorrichtungen des Kraftfahrzeugs ein Bordnetz vorgesehen, welches standardmäßig mit 12 V 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 V erzeugt und über das Bordnetz den verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug 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 über der

Nennspannung liegen, z. B. bei 14 V oder bei 14,4 V. Es ist bekannt, in Elektro- und Hybridfahrzeugen ein weiteres Bordnetz mit einer

Nennspannung von 48 V zu verwenden.

US 2010/131217 zeigt mehrere zusammenschaltbare Lithium-Ionen-Batterien, welche jeweils aus einzelnen in Serie geschalteten Batteriemodulen bestehen, wobei die

Batteriemodule in Serie geschaltete Batteriezellen aufweisen. Zum Betrieb eines

Niederspannungsteilnetzes ist eine weitere Batterie vorgesehen, die mittels eines

Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandlers) betrieben wird.

US 6,747,438 offenbart eine Lade- und Entladeeinheit einer Batterie, die einen

bidirektionalen DC/DC-Konverter oder einen unidirektionalen DC/DC-Ladekonverter, zusammen mit einem DC/DC-Entladekonverter, aufweisen kann. Die Lade- und Entladeeinheit steuert die Spannung und den Strom jeweils passend für die eingesetzten Batteriezellen und für eine Stromversorgungs-/Ladeeinheit. Die eingesetzten Batteriezellen umfassen erste und zweite Batteriezellen, die parallel geschaltet sind. Die Parallelschaltung der ersten und der zweiten Batteriezellen ist mit einer weiteren ähnlichen Parallelschaltung parallel geschaltet. Für die ersten Batteriezellen werden Hochleistungs-Lithium- Akkumulatoren verwendet, während für die zweiten Batteriezellen Bleizellen eingesetzt werden, die eine hohe Kapazität aufweisen. US 2012/235473 zeigt Lithium-Ionen-Batteriezellen, die miteinander und zu Terminalen in Serie geschaltet sind, welche an einen Drehstromgenerator eines Bordnetzes eines

Kraftfahrzeugs angeschlossen sind, um Ladung auf den Batteriezellen aufrechtzuerhalten und um elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen. Die Terminale sind mit einem Triebwerksteil des Bordnetzes verbunden, um das Kraftfahrzeug beim Starten mit relativ kurzem und starkem Stromfluss zu versorgen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Bordnetz ein Niederspannungsteilnetz mit zumindest einem Niederspannungsverbraucher und einem Starter und ein Hochspannungsteilnetz mit zumindest einem Hochspannungsverbraucher und einem 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 abzugeben, und die zumindest zwei Batterieeinheiten mit Leitungsabschnitten aufweist, die an die Koppeleinheit geführt sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit dazu eingerichtet ist, zumindest eine erste und eine zweite Konfiguration bereitzustellen, wobei in der ersten Konfiguration das Hochspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und das

Niederspannungsteilnetz aus zumindest einer Batterieeinheit gespeist wird, und wobei in der zweiten Konfiguration das Hochspannungsteilnetz aus mehreren Batterieeinheiten der Batterie, bevorzugt aus allen Batterieeinheiten der Batterie gespeist wird und das

Niederspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird. Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch das Niederspannungsteilnetz elektrische

Verbraucher betrieben werden können, die auf eine erste, niedrige Spannung ausgelegt sind, und für Hochleistungsverbraucher das Hochspannungsteilnetz bereitsteht, d.h. das Teilnetz mit einer 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 Bordnetz kann sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Kraftfahrzeugen, z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.

Insbesondere kann das Bordnetz bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die Start-Stopp- Systeme aufweisen. Das vorgestellte System, d. h. das Bordnetz und ein zugehöriges Steuergerät,

beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die einen 48-V-Generator und einen 14-V-Starter aufweisen, wobei der 14- V-Starter vorzugsweise für Start-/Stopp-Systeme ausgelegt ist. Das Bordnetz mit 12 V bzw. 14 V Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als

Niederspannungsbordnetz bezeichnet. Das Bordnetz mit der Nennspannung von 48 V wird auch als Hochspannungsbordnetz bezeichnet.

Das vorgestellte System eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, die ein System zur Unterstützung beim Beschleunigen (boost) und Rückgewinnung (recuperation) von Bremsenergie aufweisen (Boost-Rekuperations-System, BRS). Bei Boost-

Rekuperations-Systemen wird elektrische Energie bei Bremsvorgängen, bei Bergabfahrten oder im Segelbetrieb gewonnen, um damit die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Das Boost-Rekuperations-System erhöht die Effizienz des Systems, so dass Kraftstoff eingespart werden kann bzw. die Emissionen verringert werden können. Die Batterie im

Hochspannungsteilnetz kann dabei den Verbrennungsmotor unterstützen, was als so genannter Boost bezeichnet wird, oder bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken für rein elektrisches Fahren eingesetzt werden, z.B. bei einem Ein- und Ausparken.

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 ein 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).

Bevorzugt sind die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten, insbesondere die

Batteriemodule, jeweils zur Bereitstellung der Niederspannung ausgelegt. Die

Batterieeinheiten können also abwechselnd beansprucht werden, die Niederspannung bereitzustellen, z. B. um ein Start-Stopp-System zu unterstützen, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Batterieeinheiten führt.

Da der Starter im Niederspannungsteilnetz angeordnet ist, erfüllt das

Niederspannungsteilnetz die Anforderungen für einen Startvorgang, insbesondere auch für einen Kaltstartvorgang. Die Startströme können dabei zu einem erheblichen Teil von

Einheiten der Hochspannungsbatterie bereitgestellt werden, beispielsweise zu mehr als 50 %, zu mehr als 80 % oder zu 100 %. 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 einer Batterieeinheit zum Niederspannungsteilnetz wird bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger Schalter betätigt. Besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt. Bei der Abschaltung einer Batterieeinheit zum

Niederspannungsteilnetz wird ebenfalls bevorzugt zumindest ein rückwärtssperrfähiger, besonders bevorzugt werden zwei rückwärtssperrfähige Schalter betätigt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinheit zumindest einen vorwärtssperrfähigen Schalter auf. Bevorzugt eignen sich die vorwärtssperrfähigen Schalter dazu, die selektiv zuschaltbaren Batterieeinheiten in Serie miteinander zu schalten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Trennung einer Leitung zwischen zwei Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Verbindung der Leitung zwischen den Batterieeinheiten zumindest ein vorwärtssperrfähiger Schalter betätigt wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes miteinander parallel zu schalten. Besonders bevorzugt sind in der ersten Konfiguration zumindest zwei, bevorzugt alle Batterieeinheiten bezüglich des Niederspannungsteilnetzes zueinander parallel geschaltet. Hierdurch wird ermöglicht, dass bei stark abweichenden Ladezuständen der Batterieeinheiten eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aus derjenigen

Batterieeinheit erfolgt, welche einen höheren Ladezustand aufweist bzw. eine höhere Spannung bereitstellt. Bei gleichen oder ähnlichen Ladezuständen der Batterieeinheiten wird das Niederspannungsteilnetz aus jeder der Batterieeinheiten versorgt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest zwei Batterieeinheiten bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell, d.h. miteinander in Reihe zu schalten. Besonders bevorzugt sind in der zweiten Konfiguration zumindest zwei Batterieeinheiten, bevorzugt alle Batterieeinheiten, bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet.

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

Bevorzugt ist die Koppeleinheit dazu eingerichtet, zumindest einen weiteren Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem weiteren Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz und das Niederspannungsteilnetz jeweils aus mehreren, insbesondere zwei, drei oder vier

Batterieeinheiten gespeist werden. Die eingesetzten Batterieeinheiten sind dabei bevorzugt bezüglich des Hochspannungsteilnetzes seriell geschaltet und bezüglich des

Niederspannungsteilnetzes parallel geschaltet. Der weitere Betriebszustand kann durch mehrere von der Koppeleinrichtung bereitgestellte Konfigurationen umgesetzt sein, wie weiter unten näher erläutert wird. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsteilnetz zumindest einen weiteren Energiespeicher aufweist, beispielsweise einen Pufferspeicher oder einen

Hochleistungsspeicher, welcher für die Bereitstellung von elektrischer Energie mit hohen Leistungen optimiert ist. Beispielsweise sind dies Kondensatorsysteme, z. B.

Reihenschaltungen von Doppelschichtkondensatoren, insbesondere von so genannten Superkondensatoren (supercapacitors). Die Batterie wird mithilfe dieses weiteren

Energiespeichers von der Bereitstellung hoher Ströme insbesondere bei tiefen Temperaturen entlastet. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien wird damit ein entscheidender Vorteil bereitgestellt. Aufgrund des Aufwands, der mit dem Einsatz des weiteren Energiespeichers im Niederspannungsteilnetz verbunden ist (herstellungstechnisch und kostentechnisch), eignet sich das System auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit großen

Verbrennungsmotoren, bei denen sehr große Kaltstartleistungen erforderlich sind. Bevorzugt wird ein weiterer Energiespeicher eingesetzt, der direkt für die Startanforderungen optimiert ausgelegt wird, um das Gesamtsystem auch bei einer hohen Anzahl von Kaltstartvorgängen bzw. einer sehr großen Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen eine lange Lebensdauer, beispielsweise im Bereich von 10 Jahren oder mehr zu gewährleisten.

Bevorzugt weist das Bordnetz ein Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit zur

Schaltung der Batterieeinheiten auf. Das Steuergerät kann beispielsweise ein der Batterie zugeordnetes Batteriemanagementsystem sein, das beispielsweise weitere funktionelle Einheiten umfasst, die eingerichtet sind, Messdaten über Temperaturen, bereitgestellte Spannungen, abgegebene Ströme und Ladungszustände der Batterie bzw. der

Batterieeinheiten zu erfassen, zu verarbeiten und mithilfe dieser Größen

Managementfunktionen zu realisieren, welche die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und

Sicherheit des Batteriesystems steigern.

Das Steuergerät zur Steuerung der Koppeleinheit kann ein Computerprogramm aufweisen, welches auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein kann, 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 Kraftfahrzeug angegeben, mit einem

Verbrennungsmotor und einem zuvor beschriebenen Bordnetz. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines der zuvor beschriebenen Bordnetze erfolgt die Steuerung der Koppeleinheit zur Einstellung der ersten oder zweiten Konfiguration in Abhängigkeit einer Betriebsphase des Kraftfahrzeugs.

Eine erste Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug abgestellt ist oder parkt. Eine zweite Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug gestartet wird. Eine dritte Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug im Start-Stopp-Modus betrieben wird, und eine vierte

Betriebsphase kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Kraftfahrzeug in einem

Fahrmodus betrieben wird.

Bei Betrachtung einer optimierten Betriebsstrategie für das Bordnetz werden folgende Erwägungen angestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei gleichmäßig gealterten Zellen der Innenwiderstand und die Kapazität der Zellen bei gleichen Referenzbedingungen, d. h. im Wesentlichen gleicher Temperatur und gleichem Ladezustand, annähernd gleich sind.

Für eine Serienschaltung von Batteriezellen gelten folgende Aussagen:

Die maximal abgebbare Leistung wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt.

Die maximal entnehmbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem geringsten Ladezustand begrenzt. Die maximal zulässige Leistung bei Ladevorgängen wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt.

Die maximal zuführbare Energie wird bei gleichmäßig gealterten Zellen durch die Zelle mit dem höchsten Ladezustand begrenzt. Da das Batteriesystem in einem Boost-Rekuperations-System in der Lage sein soll, jederzeit möglichst viel Energie bei einem Bremsvorgang speichern zu können, und gleichzeitig in der Lage sein soll, einen Boost-Vorgang möglichst gut zu unterstützen, kann daraus die

Anforderung abgeleitet werden, dass die Batterieeinheiten und die darin befindlichen Zellen alle möglichst den gleichen Ladezustand aufweisen sollten, um die gestellten Anforderungen möglichst gut zu erfüllen.

Bevorzugt wird bei der ersten Betriebsphase die zweite Konfiguration eingestellt. Die zweite Betriebsphase kann insbesondere ein Startzustand eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise auch ein Kaltstartzustand eines Kraftfahrzeugs, wobei letzterer durch den Ablauf einer definierten Zeitdauer definiert sein kann, beispielsweise nach Ablauf von 10 min, 20 min, 1 h, 2 h, 12 h oder 24 h. Da der Starter im Niederspannungsteilnetz angeordnet ist, wird in der zweiten Betriebsphase bevorzugt die erste Konfiguration eingestellt, um dem Starter die maximal mögliche Leistung bereitzustellen.

Die dritte Betriebsphase mit dem Start-Stopp-Modus umfasst einen Start-Modus und einen Stopp-Modus. Bei dem Start-Modus wird bevorzugt die erste Konfiguration gewählt, und bei dem Stopp-Modus wird bevorzugt die zweite Konfiguration gewählt, so dass im Start-Stopp- Modus abwechselnd die erste Konfiguration und die zweite Konfiguration eingestellt werden.

Bevorzugt wird bei der vierten Betriebsphase die zweite Konfiguration eingestellt.

Zusätzlich zu den Anforderungen für das Hochspannungsteilnetz sind an das System auch Anforderungen für die Startvorgänge im Niederspannungsteilnetz gestellt. Damit diese

Anforderungen mittels Kombination aus dem Hochleistungsenergiespeicher und der Batterie möglichst gut erfüllt werden, wird bevorzugt diejenige Batterieeinheit zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes eingesetzt, die zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist.

Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes erfolgt daher bevorzugt aus derjenigen Batterieeinheit, zu einem gegebenen Zeitpunkt den höchsten Ladezustand aufweist. Da die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes zu den Lade- und Entladevorgängen im

Hochspannungsteilnetz überlagert ist und die Niederspannungsteilnetzversorgung unidirektional stattfindet, wird durch diese Auswahlvorschrift sichergestellt, dass die Batterieeinheit mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird bzw. langsamer geladen wird als die anderen Batterieeinheiten. Dies hat eine Symmetrisierung der

Ladezustände der Batterieeinheiten zur Folge. Damit sich bei gleichem Ladezustand der Batterieeinheiten nicht ein sehr schneller Wechsel von einer Batterieeinheit auf die nächste einstellt, wird ein Schwellwert für die Differenz ASOCumschait der Ladezustände eingeführt, z.B. eine Differenz ASOCumschait mit einem definierten Wert zwischen 0,5% und 20%, bevorzugt zwischen 1 % und 5%, besonders bevorzugt etwa 2%, der überschritten werden muss, damit die Versorgung des

Niederspannungsteilnetzes von einer Batterieeinheit auf diejenige Batterieeinheit wechselt, die einen entsprechend höheren Ladezustand aufweist als die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes genutzte Batterieeinheit. Die Umschaltung bei der Versorgung erfolgt auf diejenige Batterieeinheit, die aktuell den höchsten Ladezustand aufweist. Die Umschaltung erfolgt dann, wenn die aktuell zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes durchgeschaltete Batterieeinheit einen Ladezustand aufweist, der um mindestens

ASOCumschait geringer ist als der Ladezustand jener Batterieeinheit mit dem höchsten

Ladezustand.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung stellt ein kostengünstiges Bordnetz und ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes, insbesondere mit einem Lithium-Ionen-Batteriesystem, für Kraftfahrzeuge bereit, das ein Hochspannungsteilnetz, ein Niederspannungsteilnetz und ein Boost-Rekuperations- System mit unidirektionaler Versorgung des Niederspannungsteilnetzes aufweist. Hierbei kann gegenüber bekannten Systemen ein potentialtrennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) entfallen, sowie die Blei-Säure-Batterie. Das System zeichnet sich daher durch ein verringertes Volumen und durch ein geringeres Gewicht gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperations-Systemen aus. Das Boost-Rekuperations- System kann außerdem bei geeigneter Auslegung gegenüber aktuell in der Entwicklung befindlichen Boost-Rekuperations-Systemen deutlich mehr Energie speichern und dadurch bei längeren Bremsvorgängen oder Bergabfahrten mehr elektrische Energie im System zurückgewinnen.

Die erfindungsgemäße Vorschrift für die Auswahl der Schaltzustände der Koppeleinheit bewirkt, dass die Batterie in verschiedenen Betriebsphasen des Bordnetzes nötige Aufgaben in optimierter Weise erfüllen kann. Insbesondere wird die Versorgung des

Niederspannungsteilnetzes sichergestellt. Die Versorgung erfolgt möglichst

unterbrechungsfrei, d. h. möglichst ohne Spannungseinbrüche. Sollte während

Umschaltphasen der Koppeleinheit kurzfristig die unterbrechungsfreie Versorgung des Niederspannungsteilnetzes nicht möglich sein, wird der Spannungseinbruch im

Niederspannungsteilnetz trotzdem auf tolerierbare Werte begrenzt. Außerdem stellt die Batterie ausreichend elektrische Energie auch bei längeren Stillstandszeiten bereit. Die Batterie kann Hochspannungsverbraucher auch während Stoppphasen bei Start-Stopp- Betrieb versorgen.

Zugleich wird die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes sichergestellt, d. h. die Batterie stellt dem Hochspannungsteilnetz im Wesentlichen unterbrechungsfrei die elektrische Energie bereit. Hinsichtlich der Speicherung elektrischer Energie bedeutet die Optimierung, dass möglichst viel elektrische Energie bei einem Bremsvorgang zurückgewonnen werden kann und dass die Batterie dabei mit möglichst hohen Leistungen geladen werden kann. Hinsichtlich der Bereitstellung der elektrischen Energie bedeutet die Optimierung, dass die Batterie die Startvorgänge durch Bereitstellen elektrischer Energie mit der erforderlichen Spannung und Leistung ermöglicht und dass für den Boost-Betrieb möglichst viel elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden kann.

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 gemäß einer ersten Ausführungsform, Figur 5 ein Bordnetz mit einem Hochspannungsteilnetz und einem

Niederspannungsteilnetz und einem unidirektionalen, galvanisch nicht trennenden DC/DC-Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Figur 6 eine Koppeleinheit in einer beispielhaften Konfiguration,

Figur 7 die Koppeleinheit aus Figur 6 in einer weiteren beispielhaften Konfiguration,

Figur 8 die Koppeleinheit aus Figur 6 in einer weiteren beispielhaften Konfiguration,

Figur 9 rückwärts- und vorwärtssperrfähige Schalter,

Figur 10 mögliche Betriebsphasen eines Kraftfahrzeugs,

Figur 1 1 Konfigurationen in einer ersten Betriebsphase,

Figur 12 Konfigurationen in einer zweiten Betriebsphase,

Figur 13 Konfigurationen in einer dritten Betriebsphase und

Figur 14 Konfigurationen in einer vierten Betriebsphase.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. In Fällen, in welchen dieselben Elemente in einer Figur mehrfach vorkommen, können deren Bezugszeichen zum Zweck des besseren Verständnisses durchnummeriert sein. Allerdings wird im Text der Übersicht halber wiederum gelegentlich auf die Durchnummerierung verzichtet. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Ausführungsformen der Erfindung

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 V erzeugt und über das

Bordnetz 1 den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 14 im Kraftfahrzeug 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 33 zwischen dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 bildet. Das Bordnetz 1 kann ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers sein.

Das Hochspannungsteilnetz 20 ist beispielsweise ein 48-V-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 Kraftfahrzeugs 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 20 auszugeben. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind weitere Hochspannungsverbraucher 25, als Lastwiderstände dargestellt, 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 und ein Schalter 27, um den Verbrennungsmotor zu starten, sowie ein Energiespeicher 28, der eingerichtet ist, die Niederspannung in Höhe von beispielsweise 12 V oder 14 V für das Niederspannungsteilnetz 21 bereitzustellen. Im Niederspannungsteilnetz 21 sind Niederspannungsverbraucher 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 V aufweist. Im entladenen Zustand (state of Charge, SOC = 0%) weist der Energiespeicher 28 unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 V auf. Die Bordnetzspannung im

Niederspannungsteilnetz 21 liegt im Fahrbetrieb, je nach Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers 28, etwa im Bereich zwischen 10,8 V und 15 V.

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 20 betrieben wird, beispielsweise zwischen 12 und 48 V, 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, und der des Niederspannungsteilnetzes 21 entspricht.

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 1 ausgebildet, wobei der Starter 26 aus Figur 2 mit dem Generator 23 aus Figur 2 als Starter-Generator 30 im Hochspannungsteilnetz 20

eingebunden ist und für den Energietransfer zwischen den Teilnetzen 20, 21 ein DC/DC- Wandler 31 zum Einsatz kommt, der bidirektional ausgeführt ist. In den Teilnetzen 20, 21 sind außerdem Batterien 24, Energiespeicher 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 26. 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 Batterie 24, insbesondere die Lithium-Ionen-Batterie, ggf. über das Niederspannungsteilnetz 21 geladen werden kann. Die Starthilfe des Kraftfahrzeugs erfolgt dann über eine Niederspannungsschnittstelle (nicht dargestellt) und den DC/DC-Wandler 31 . Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Bordnetz 1 mit einem Hochspannungsteilnetz 20 und einem Niederspannungsteilnetz 21 , beispielsweise ein Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs, Transportfahrzeugs oder Gabelstaplers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bordnetz 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48- V-Generator, einem 14-V-Starter und einem Boost-Rekuperations-System.

Das Hochspannungsteilnetz 20 umfasst einen elektrischen Generator 23, welcher von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) betreibbar ist. Der Generator 23 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einer Drehbewegung des Motors des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz 20 einzuspeisen. Im Hochspannungsteilnetz 20 sind Hochspannungsverbraucher 25 angeordnet, welche durch einen, bevorzugt durch eine Mehrzahl elektrischer Verbraucher 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, dem

Hochspannungsteilnetz 20 die Betriebsspannung von 48 V auszugeben. Die Lithium-Ionen- Batterie 40 weist bei einer Nennspannung von 48 V 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 jeweils 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 V.

Den Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind Leitungsabschnitte 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 Aufgaben, zumindest eine der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 - 2, ...41 -n der Batterie 40 auf das Niederspannungsteilnetz 21 zu dessen Betrieb oder Unterstützung durchzuschalten, und die Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 geeignet zu verschalten.

Die Koppeleinheit 33 koppelt somit 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 sind mit Bezug zu den Figuren 6 bis 8 beschrieben.

Das Niederspannungsteilnetz 21 umfasst die Niederspannungsverbraucher 29, welche beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V oder 14 V Spannung ausgelegt sind. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batterie 40 die Versorgung der Verbraucher 25, 29 bei abgestelltem Kraftfahrzeug übernimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass hierbei die Anforderungen des so genannten Flughafentests erfüllt werden, wobei nach sechs Wochen Standzeit das Kraftfahrzeug noch startbar ist und wobei die Batterie 40 während der Standzeit unter anderem auch die Ruheströme der

Niederspannungsverbraucher 29 im Niederspannungsteilnetz 21 bereitstellt, damit beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage versorgt wird.

Im Niederspannungsteilnetz 21 ist außerdem ein Starter 26 angeordnet, der eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zu starten, wenn der Schalter 27 geschlossen wird.

Im Niederspannungsteilnetz 21 ist optional ein Pufferspeicher 28 angeordnet, der kurzzeitig Leistung abgeben kann. Der Pufferspeicher 28 erfüllt den weiteren Zweck, dass

Überspannungen bei einem Umschalten der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n weiter vermieden werden. Als Pufferspeicher 28 kann eine Lithium-Ionen-Batterie eingesetzt werden.

Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Bordnetz 1 mit dem Hochspannungsteilnetz 20 und dem Niederspannungsteilnetz 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Bordnetz 1 eignet sich für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit einem 48-V-Generator, einem 14-V- Starter und einem Boost-Rekuperations-System, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit großen Verbrennungsmotoren, bei welchen eine erhebliche Startleistung bei Kaltstarts erforderlich ist. Das in Figur 5 dargestellte Bordnetz 1 ist im Wesentlichen wie das in Figur 4 dargestellte Bordnetz 1 ausgebildet, mit dem Unterschied, dass anstelle des Pufferspeichers 28 ein Hochleistungsspeicher 280 eingesetzt wird, welcher in der dargestellten Ausführungsform eine Verschaltung mehrerer Kondensatoren 281 umfasst. Die Kondensatoren 281 sind beispielsweise Doppelschichtkondensatoren, insbesondere Superkondensatoren. Der Hochleistungsspeicher 280 im Niederspannungsteilnetz 21 ist für die Bereitstellung elektrischer Energie mit hohen Leistungen optimiert.

Figur 6 zeigt die Koppeleinheit 33, die als unidirektionaler, galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt ist. Die Koppeleinheit 33 umfasst rückwärtssperrfähige Schalter RSS 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 6 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 RSS 44, 45 wird mit Bezug zu Figur 9 beschrieben.

In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte 80-1 1 , 80-12, 80-n2 der

Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n mit jeweils einem der unterschiedlichen

rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 und RSS_r 44 verbunden. Die

rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf einen Pluspol 52 geschaltet, und die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44 sind ausgangsseitig der Koppeleinheit 33 auf einen Minuspol 51 geschaltet.

Die Koppeleinheit 33 umfasst vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 , welche beispielsweise Standard-Halbleiterschalter sein können. Ein Beispiel für den näheren Aufbau der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 wird mit Bezug zu Figur 9 beschrieben. In der Koppeleinheit 33 sind die Leitungsabschnitte 80-12, 80-n1 der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n verzweigt und parallel zu den rückwärtssperrfähigen Schaltern RSS 44, 45 jeweils einem vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, ..., 90- n1 zugeführt. Die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 verbinden die Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n seriell miteinander, wenn die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 geschlossen sind. Dabei ist zwischen jeweils zwei Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n ein vorwärtssperrfähiger Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 angeordnet, sodass sich bei n Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n n-1

vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 , 90-2, ... 90-n1 vorgesehen sind.

Mit dem Bezugszeichen 73 ist der Strompfad durch die Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n zur Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 dargestellt. In Figur 6 sind sämtliche vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 geschlossen. Zur Übersicht sind in den Zeichnungen stromführende Leitungen mit dickeren Linien dargestellt als nichtstromführende Leitungen.

Die Spannungslage des Hochspannungsteilnetzes 20 bezogen auf die Masse des

Niederspannungsteilnetzes 21 hängt davon ab, welche der Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n zugeschaltet ist bzw. sind. In keiner der Konfigurationen 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-V-Netz und einem 14-V-Netz in etwa 62 V. Es können jedoch negative Potentiale gegenüber der Masse des

Niederspannungsteilnetzes 21 auftreten.

Figur 7 zeigt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 beispielhaft aus der Batterieeinheit 41 -2 über die eingeschalteten rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i, RSS_r 44-i. Vom Pluspol 52 führt dabei ein Strompfad 71 über den rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51 .

Durch die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 ist es möglich, zwei oder mehr Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel zu schalten. In diesem Fall werden einige oder alle der vorwärtssperrfähigen

Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 in den Zustand„Aus" gesteuert. Während der

Parallelschaltung von Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2, ...41 -n sind die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 ausgeschaltet und der Generator 23 speist idealerweise keine Energie in das Hochspannungsteilnetz 20 ein. Nach einer Ausführungsform ist das Bordnetz 1 bzw. das Steuergerät so eingerichtet, dass die Batterie 40 den Generator 23 nur bei eingeschalteten vorwärtssperrfähigen Schaltern VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 mit Energie zu versorgen vermag. Für das Laden der Batterie 40 müssen die vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 nicht zwingend eingeschaltet sein, da die intrinsischen Dioden 102 der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 den Ladestrom führen können. Bevorzugt werden die

vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 immer dann eingeschaltet, wenn kein Parallelbetrieb für die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 stattfindet, um die Verlustleistung innerhalb der vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 zu reduzieren.

Der Betrieb des Generators 23 ist unabhängig von dem Betrieb der Koppeleinheit 33 und der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. In der hier durchgeschalteten Batterieeinheit 41 -2, die das Niederspannungsteilnetz 21 versorgt, ergibt sich eine Überlagerung durch den Niederspannungsteilnetzstrom und den ggf. vom Generator 23 in die gesamte Batterie 40 eingespeisten Ladestrom (beim Generatorbetrieb) bzw. durch den der gesamten Batterie 40 entnommenen Entladestrom (beim 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 -1 , 41 -2, ...41 -n über die zugehörigen rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schalter VSS 90-1 , 90-2, 90-n1 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 21 aufweist.

Figur 8 zeigt eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 , die 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 erfolgt. Vom Pluspol 52 führt ein erster Strompfad 71 über einen rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-i über die zweite durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -2 und über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-i zum Minuspol 51 . Vom Pluspol 52 führt außerdem ein weiterer Strompfad 72 über den

rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45-j über die erste durchgeschaltete Batterieeinheit 41 -1 über den weiteren rückwärtssperrfähigen Schalter RSS_r 44-j zum Minuspol 51. Da der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90-1 geöffnet ist, sind die erste Batterieeinheit 41 -1 und die zweite Batterieeinheit 41 -2 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel geschaltet. Bei einem unterschiedlichen Spannungsniveau der parallel geschalteten Batterieeinheiten 41 -1 , 41 -2 erfolgt der Energiefluss in das Niederspannungsteilnetz 21 nur aus derjenigen Batterieeinheit 41 -1 , 41 -2, die das höhere Spannungsniveau aufweist. Der Energiefluss von einer Batterieeinheit 41 -1 , 41 -2 mit einer höheren Spannungslage in eine Batterieeinheit 41 - 1 , 41 -2 mit einer niedrigeren Spannungslage wird durch die rückwärtssperrfähigen Schalter RSS 44, 45 unterbunden, die der Batterieeinheit 41 -1 , 41 -2 mit der geringeren

Spannungslage zugeordnet sind.

Figur 9 zeigt einen möglichen Aufbau von rückwärtssperrfähigen Schaltern 44, 45 und vorwärtssperrfähigen Schaltern 90. Die Durchlassrichtung der rückwärtssperrfähigen Schalter 44, 45 und des vorwärtssperrfähigen Schalters 90 ist dabei mit I angegeben.

Ein rückwärtssperrfähiger Schalter RSS_r 44 umfasst beispielsweise einen IGBT, MOSFET 101 oder Bipolartransistor und eine in Serie dazu geschaltete Diode 103. In Figur 9 ist der MOSFET 101 mit seiner intrinsischen Diode 102 dargestellt. 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.

Der vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 umfasst einen MOSFET 101 , wobei dessen intrinsische Diode 102 mit dargestellt ist, alternativ einen IGBT oder Bipolartransistor. Die rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und der vorwärtssperrfähige Schalter 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 rückwärtssperrfähigen Schalter RSSJ 45, RSS_r 44 und des

vorwärtssperrfähigen Schalters VSS 90 sehr genau eingestellt werden. Die folgende Tabelle zeigt Konfigurationen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 der Batterie 40, die über die Koppeleinrichtung 33 eingestellt werden können. Die Konfiguration XsYp bedeutet dabei X Batterieeinheiten 41 in Serienschaltung und Y Batterieeinheiten 41 in Parallelschaltung. Zum Beispiel bedeutet 2s1 p eine Serienschaltung von zwei Batterieeinheiten 41 bezüglich des Hochspannungsteilnetzes 20 und 1 s2p eine Parallelschaltung von zwei Batterieeinheiten 41 bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 . Die der Tabelle zugrundeliegende Batterie 40 (nicht dargestellt) umfasst beispielhaft vier Batterieeinheiten 41 , die dem

Hochspannungsteilnetz 20 und/oder dem Niederspannungsteilnetz 21 jeweils bis zu 12 V Spannung bereitstellen können.

Konfiguration Schaltzustände Hochspannungs Niederspannungsteil-teil netz netz

1 s4p Drei vorwärtssperrfähige 12V Versorgung aus der 1 s4p

Schalter VSS 90 Batterieeinheit 41 zwischen vier

benachbarten

Batterieeinheiten 41

ausgeschaltet, acht

rückwärtssperrfähige

Schalter dieser

Batterieeinheiten 41

eingeschaltet

4s1 p Alle 48V Versorgung aus einer vorwärtssperrfähigen der vier Batterieeinheiten Schalter VSS 90 41

eingeschaltet, zwei

rückwärtssperrfähige

Schalter 44, 45 für

Niederspannungsteilnetz 21 eingeschaltet

2s1 p + 1 s2p Ein vorwärtssperrfähiger 36V Versorgung aus der 1 s2p

Schalter VSS 90 Batterieeinheit 41 zwischen zwei

benachbarten

Batterieeinheiten 41

ausgeschaltet, vier

rückwärtssperrfähige

Schalter RSS 44, 45

dieser Batterieeinheiten

41 eingeschaltet

1 s1 p + 1 s3p Zwei vorwärtssperrfähige 24V Versorgung aus der 1 s3p

Schalter VSS 90 Batterieeinheit 41 zwischen drei

benachbarten

Batterieeinheiten 41

ausgeschaltet, sechs

rückwärtssperrfähige Schalter 44, 45 dieser

Batterieeinheiten 41

eingeschaltet

In Figur 10 sind vier verschiedene Betriebsphasen 102, 103, 104, 105 dargestellt, deren Detektion oder Einstellung zu einem Umschaltvorgang 101 in der Koppeleinrichtung 33 führen können. Eine erste Betriebsphase 102 ist eine passive Phase des Systems, bei welcher beispielsweise ein Kraftfahrzeug abgestellt wurde oder parkt. Eine zweite

Betriebsphase 103 ist eine Startphase des Kraftfahrzeugs. Eine dritte Betriebsphase 104 ist ein Start-Stopp-Modus des Kraftfahrzeugs. Eine vierte Betriebsphase 105 ist eine aktive Phase des Systems, beispielsweise ein Fahrmodus des Kraftfahrzeugs. Figur 1 1 zeigt die Einstellung der Schaltzustände bei der ersten Betriebsphase 102 oder mit anderen Worten die möglichen und bevorzugten Konfigurationen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 der Batterie bei der ersten Betriebsphase 102.

Eine erste Konfiguration 1 10 ist 1 s4p, welche, beispielsweise gemäß der zuvor

beschriebenen Tabelle, verstanden werden kann als eine Batterieeinheit 41 , die dem

Hochspannungsteilnetz 20 zugeschaltet ist und alle anderen, d. h. hier vier Batterieeinheiten 41 , die bezüglich des Niederspannungsteilnetzes 21 parallel geschaltet sind. In der ersten Konfiguration 1 10 erfolgt eine Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 mit der von einer Batterieeinheit 41 bereitstellbaren Energie. Bei der Parallelschaltung der

Batterieeinheiten 41 zur ersten Konfiguration 1 10 erfolgt die Entladung der Batterieeinheit 41 mit dem höchsten Ladezustand automatisch, und es stellt sich ein Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 ein.

Falls das Hochspannungsteilnetz 20 in der ersten Betriebsphase 102 versorgt werden soll, kann eine zweite Konfiguration 1 1 1 , nämlich 4s1 p eingestellt werden, was bevorzugt wird. Bei der zweiten Konfiguration 1 1 1 erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 mit der Summenspannung der Batterieeinheiten 41 . Zusätzlich kann der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 über einen Wechsel der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgen. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt aus einer einzigen Batterieeinheit 41 . Bei einem Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit 41 erfolgt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 nicht unterbrechungsfrei. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt in der zweiten Konfiguration 1 1 1 während der Abstellphase bevorzugt aus jener Batterieeinheit 41 , die den höchsten

Ladezustand aufweist. Durch diese Auswahlvorschrift wird sichergestellt, dass die

Batterieeinheit 41 mit dem höchsten Ladezustand schneller entladen wird als die weiteren Batterieeinheiten 41. Erreicht der Ladezustand dieser Batterieeinheit 41 einen unteren Grenzwert, wird auf die nächste Batterieeinheit 41 umgeschaltet.

Bei einer dritten Konfiguration 1 12, nämlich 2s1 p + 1 s2p, wobei ein vorwärtssperrfähiger Schalter VSS 90 zwischen zwei benachbarten Batterieeinheiten 41 ausgeschaltet ist und vier rückwärtssperrfähige Schalter RSS 44, 45 dieser Batterieeinheiten 41 eingeschaltet sind, erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 mit einer reduzierten Spannung, hier beispielsweise mit drei Viertel der maximal möglichen Spannung. Der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 ist über einen Wechsel der Versorgung des

Niederspannungsteilnetzes 21 möglich. Eine Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 ist bei einem Wechsel der Batterieeinheit 41 unterbrechungsfrei möglich.

In einer vierten Konfiguration 1 13, nämlich 1 s1 p + 1 s3p, bei welcher zwei

vorwärtssperrfähige Schalter VSS 90 zwischen drei benachbarten Batterieeinheiten 41 ausgeschaltet sind und sechs rückwärtssperrfähige Schalter RSS 44, 45 dieser

Batterieeinheiten 41 eingeschaltet sind, erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes

20 mit einer reduzierten Spannung, hier beispielsweise mit drei Viertel der Nennspannung. Der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 kann über einen Wechsel in der Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgen. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes

21 ist dabei über einen Wechsel der zugeschalteten Batterieeinheit 41 unterbrechungsfrei möglich.

Die dritte und die vierte Konfiguration 1 12, 1 13 werden bevorzugt dann eingestellt, wenn das Hochspannungsteilnetz 20 zwar mit reduzierter Spannung versorgt werden kann, diese Spannung aber notwendigerweise höher als die von einer Batterieeinheit 41 bereitstellbare Niederspannung ist. Bei allen Konfigurationen 1 1 1 , 1 12, 1 13 mit Ausnahme der ersten

Konfiguration 1 10 wird der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 durch einen Wechsel jener Batterieeinheit 41 durchgeführt, die zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 herangezogen wird. Ein solcher Wechsel kann entweder mit kurzer Unterbrechung der direkten Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 aus einer Batterieeinheit 41 und damit mit entsprechenden Maßnahmen zur Pufferung des Bordnetzes 1 erfolgen, beispielsweise mittels des Kondensators 28, oder mit einer unterbrechungsfreien Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21. Im letztgenannten Fall muss allerdings in der

Umschaltphase hingenommen werden, dass die Spannung im Hochspannungsteilnetz 20 kurzzeitig begrenzt ist, beispielsweise auf zwei Drittel.

In Figur 12 ist die Einstellung der Schaltzustände in der zweiten Betriebsphase 103 dargestellt. Hierbei werden die Batterieeinheiten 41 in die erste Konfiguration 1 10 geschaltet, d.h. im Beispiel mit vier Batterieeinheiten 41 zu 1 s4p. In der ersten Konfiguration 1 10 kann die Batterie 40 die maximal mögliche Leistung für den Start des Kraftfahrzeugs abgeben. Die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 erfolgt aus der Batterieeinheit 41 mit größtem Ladezustand. Außerdem erfolgt eine Optimierung der Ladezustandsdifferenz der

Batterieeinheiten 41 , wie mit Bezug zu Figur 1 1 beschrieben.

Figur 13 zeigt die Einstellung der Schaltzustände in der dritten Betriebsphase 104. Die dritte Betriebsphase 104 weist einen Stopp-Modus 131 und einen Start-Modus 132 auf. Bei dem Stopp-Modus 131 wird bevorzugt die zweite Konfiguration 1 1 1 eingestellt. Hierbei erfolgt die Versorgung des Hochspannungsteilnetzes 20 durch die Batterie 40. Bevorzugt erfolgt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 dabei aus der Batterieeinheit 41 mit geringstem Ladezustand. Hierdurch ergibt sich eine Optimierung der Erhaltung der

Leistungsfähigkeit für den Start des Kraftfahrzeugs. Bei dem Start-Modus 132 wird die erste Konfiguration 1 10 mit Eigenschaften, wie mit Bezug zu Figur 1 1 beschrieben, eingestellt.

Figur 14 zeigt die die Einstellung der Schaltzustände in der vierten Betriebsphase 105. Die vierte Betriebsphase 105 weist einen Boost-Modus 141 und einen Rekuperations-Modus 142 auf, sowie einen Modus 143, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Generator 30 keine Energie in das Bordnetz 1 einspeist und einen weiteren Modus 144, der dadurch

gekennzeichnet ist, dass der Generator 30 nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz 1 einspeist, beispielsweise weniger als 12 V oder als 24 V. Im Boost-Modus 141 soll ein Batteriesystem möglichst hohe Leistung an den Generator 30 abgeben. Im Rekuperations-Modus 142 soll das Batteriesystem mit möglichst hoher Leistung geladen werden können. Zusätzlich soll im Boost-Modus 141 und im Rekuperations-Modus 142 möglichst viel Energie bereitgestellt bzw. aufgenommen werden können. Daher werden im Boost-Modus 141 und im Rekuperations-Modus 142 bevorzugt die zweite Konfiguration 1 1 1 , nämlich 4s1 p eingestellt. Im Boost-Modus 141 erfolgt die Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 aus derjenigen Batterieeinheit 41 mit dem größten

Ladezustand, und es findet die Optimierung der Ladezustandsdifferenz der Batterieeinheiten 41 statt. Im Rekuperations-Modus 142 erfolgt die Versorgung des

Niederspannungsteilnetzes 21 aus derjenigen Batterieeinheit 41 mit dem größten

Ladezustand, und es findet die Optimierung der Ladezustandsdifferenz der Batterieeinheiten 41 statt.

In den Betriebsmodi 143, 144, in denen der Generator 30 keine Energie in das Bordnetz 1 einspeist oder nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz 1 einspeist, beispielsweise um den Energiebedarf zu decken, wenn längere Zeit kein Rekuperations-Modus 142 aufgetreten ist, können prinzipiell alle vier Konfigurationen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 eingestellt werden. In diesen Betriebsmodi 143, 144, in denen der Generator 30 keine Energie in das Bordnetz 1 einspeist oder nur geringe elektrische Energie in das Bordnetz 1 einspeist, gelten die für die erste Betriebsphase 102 getroffenen Aussagen. Falls die Spannung im

Hochspannungsteilnetz 20 bis auf die Niederspannung abgesenkt werden kann, wird die Einstellung der ersten Konfiguration 1 10 bevorzugt. Dann verhält sich dessen Bordnetz 1 nahezu wie ein Standard-Niederspannungsbordnetz, bei dem der Generator 30 die mittlere Bordnetzlast deckt. Mit der beschriebenen Vorgehensweise können die Schaltzustände der Koppeleinrichtung 33 für alle vier verschiedenen Betriebsphasen 102, 103, 104, 105 des Kraftfahrzeugs nach einer definierten Vorschrift eingestellt werden. An solchen Stellen, bei denen die

Beschreibung noch Optionen oder Alternativen offen lässt, kann durch die oben

beschriebenen Erwägungen zur Betrachtung der optimierten Betriebsstrategie für das Bordnetz 1 Eindeutigkeit geschaffen werden, beispielsweise indem das

Hochspannungsteilnetz 20 auch mit Niederspannung betrieben wird.

Die erste Konfiguration 1 10 ist insbesondere auch dann von Interesse, wenn das

Hochspannungsteilnetz 20 nicht zur Versorgung von Hochspannungsverbrauchern 25, sondern zur Optimierung der Maximalleistung des Generators 30 eingesetzt wird. Dann kann der Generator 30 bei moderaten Leistungen bei der Niederspannung betrieben werden, und die Parallelschaltung aller Batterieeinheiten 41 bewirkt, dass sich ein Bordnetz 1 mit ähnlicher Funktion wie das Niederspannungsteilnetz 21 gemäß dem Stand der Technik einstellt. Der Generator 30 kann den mittleren Bordnetzstrom liefern, und die Batterie 40 dient in diesem Zustand als Pufferspeicher. Werden alle Batterieeinheiten 41 über die Koppeleinheit 33 parallel zur Versorgung des Niederspannungsteilnetzes 21 angeschlossen, so wird automatisch diejenige Batterieeinheit 41 mit dem höchsten Ladezustand entladen, und es stellt sich automatisch der Ladungsausgleich der Batterieeinheiten 41 ein. Wird ausgehend von diesem Zustand eine hohe Leistung des Generators 30 gefordert, zum Beispiel im Boost-Modus 141 , oder kann bei einem Rekuperationsvorgang Energie mit so hoher Leistung zurückgespeist werden, dass dies im Niederspannungsbetrieb des

Generators 30 nicht realisierbar ist, so wird die Batterie 40 über Änderungen der

Schaltzustände in der Koppeleinheit 33 auf die zweite Konfiguration 1 1 1 umkonfiguriert. Bei Verwendung der beschriebenen schnellen Halbleiterschaltungen der Koppeleinrichtung 33 können die hierfür erforderlichen Schaltzeiten sehr klein gehalten 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.