DE19842657A1 - Zwei-Batteriesystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Zwei-Batteriesystem (1) und ein Verfahren zu dessen Ansteuerung, umfassend eine Starterbatterie (2), einen Generator (3), Primärverbraucher (4), eine Bordnetzbatterie (6), einen Starter (8) und einen zwischen Starterbatterie (2) und Bordnetzbatterie (6) angeordneten Leistungsschalter (10), über den beim Startvorgang die Starterbatterie (2) und die Bordnetzbatterie (6) parallel zusammenschaltbar sind, wobei parallel zum Leistungsschalter (10) ein Power-MOSFET (13) angeordnet ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Zwei-Batteriesystem und ein Verfahren zur Ansteuerung des
Zwei-Batteriesystems.
Ein derartiges Zwei-Batteriesystem ist aus der DE 40 28 242 A1 bekannt, das eine
Starterbatterie und eine Bordnetzbatterie umfaßt. Zwischen der Starterbatterie und der
Bordnetzbatterie ist ein Starterbatterieschalter angeordnet, der bei einem Startvorgang
geschlossen wird, so daß die beiden Batterien miteinander verbunden sind. Die
Versorgung von Primärverbrauchern und Sekundärverbrauchern findet dann über beide
Batterien statt. Unter Primärverbrauchern werden die für das Start- und Fahrvermögen
oder die Fahrzeugsicherheit wesentlichen Verbraucher und unter Sekundärverbrauchern
Komfortkomponenten verstanden. Um eine Entladung der Starterbatterie zu verhindern,
erfaßt ein Steuergerät die Ladezustände der Starterbatterie und der Bordnetzbatterie.
Sinkt dann der Ladezustand der Starterbatterie unter den der Bordnetzbatterie, so daß
eine Ladung der Bordnetzbatterie auf Kosten der Starterbatterie stattfinden würde, so
trennt das Steuergerät die Verbindung zwischen den Batterien durch eine Öffnung des
Starterbatterieschalters auf. Nachteilig an dem bekannten Zwei-Batteriesystem ist, daß
einerseits die Starterbatterie auch nach erfolgtem Startvorgang belastet wird und
andererseits der meßtechnische Aufwand zur Erfassung der Ladezustände der beiden
Batterien recht groß ist.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Zwei-Batteriesystem zu
schaffen, bei dem die Starterbatterie nur in der Startphase belastet, die Starterbatterie
jedoch jederzeit wenn der Lastzustand es erlaubt, geladen werden kann und nur einen
geringen schaltungstechnischen Aufwand benötigt.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der
Patentansprüche 1 und 7. Durch die Anordnung eines MOSFET parallel zum
Leistungsschalter kann durch die interne Strommessung des MOSFET sehr einfach erfaßt
werden, ob der Ladezustand von Starterbatterie und Bordnetzbatterie ein Aufladen der
Starterbatterie ermöglicht. Durch Erzeugen einer vorzeichengerechten Gatespannung
kann in einem solchen Fall eine Ladestrecke freigeschaltet werden und die Starterbatterie
aufgeladen werden. Ansonsten trennt der MOSFET die Starterbatterie von den Primär-
und Sekundärverbraucher, so daß die Starterbatterie ausschließlich im Startvorgang
belastet wird. Da alle notwendigen Steuerinformationen im MOSFET intern bereits zur
Verfügung stehen, entfallen separate Meßshunts und auch der Aufbau des Steuergeräts
läßt sich sehr einfach realisieren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen der Bordnetzbatterie und den
Primärverbrauchern ein Schalter angeordnet, mit dem vor dem Startvorgang wahlweise
die Versorgung der Primärverbraucher zwischen der Bordnetzbatterie und der
Starterbatterie umgeschaltet werden kann, wobei dieser Schalter vorzugsweise ebenfalls
als MOSFET ausgebildet ist.
Vorzugsweise werden die beiden MOSFETs gegeneinander verpolt, so daß entweder
jeweils die beiden Source- oder Drainanschlüsse miteinander verbunden sind, so daß
über die parasitären Dioden der MOSFETs kein Kurzschlußpfad entstehen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher
erläutert. Die Figur zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Zwei-Batteriesystems mit parallel geschalteter
Diode,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit der Starterbatterie zugeordneten
Primärverbrauchern;
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit einem zusätzlichen Umschalter zwischen
Starterbatterie und Bordnetzbatterie,
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung mit MOSFETs,
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung mit gegeneinander verpolten MOSFETs mit
gemeinsamen Drainanschluß und
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Sourcenanschluß.
Das Batteriesystem 1 umfaßt eine Starterbatterie 2, einen Generator 3, Primärverbraucher
4, Sekundärverbraucher 5, eine Bordnetzbatterie 6, einen Zündanlaßschloßschalter 7,
einen Starter 8 mit zugeordnetem Schalter 9. Zwischen der Starterbatterie 2 und dem
Generator 3 bzw. der Bordnetzbatterie 6 ist ein Leistungsschalter 10 mit parallel
geschalteter Diode 11 angeordnet. Vor der Einleitung eines Startvorganges sind alle
Schalter 7, 9 und 10 geöffnet. Die für den Startvorgang benötigten Primärverbraucher 4
wie beispielsweise ein Motorsteuergerät, werden ausschließlich über die Bordnetzbatterie
6 versorgt. Wird nun der Zündanlaßschloßschalter 7 beispielsweise durch Drehung des
Zündschlüssels geschlossen, so bewirkt der von der Bordnetzbatterie 6 über den
Zündanlaßschloßschalter 7 fließende Strom ein Schließen des Schalters 7, wodurch der
Stromkreis zwischen Starterbatterie 2 und Schalter 8 geschlossen wird. Dadurch fließt ein
Starterstrom von der Starterbatterie 2 zu einem dem Starter 8 zugeordneten Startermotor,
der zu drehen beginnt und versucht einen Verbrennungsmotor anzuwerfen. Weiter führt
das Schließen des Zündanlaßschalters 7 zu einem Schließen des Leistungsschalters 10,
so daß die Starterbatterie 2 und die Bordnetzbatterie 6 parallel geschaltet sind. Je nach
Ladezustand der beiden Batterien kommt es dann zu einem Ladungsausgleich
untereinander und beide Batterien stehen zur Versorgung der Primärverbraucher 4 und
des Starters 8 zur Verfügung. Nach Beendigung des Startvorganges werden dann alle
Schalter 7, 9 und 10 wieder geöffnet, so daß im Normalbetrieb die Starterbatterie 2 nicht
belastet wird. Die Diode 11 bildet dabei eine Ladestrecke zwischen der Bordnetzbatterie 6
bzw. dem Generator 3 und der Starterbatterie 2, so daß über die Diode 11 ein Ladestrom
fließen kann, falls die Spannungsdifferenz zwischen Bordnetzbatterie 6 und der
Starterbatterie 2 größer als 0,7 V wird. Ist hingegen die Spannungsdifferenz kleiner, so
sperrt die Diode 11 und die Starterbatterie ist gegen Entladung geschützt. Der Vorteil
dieser Anordnung ist, daß die Ladestrecke über die Diode keine separate Steuerung
benötigt. Jedoch weist diese Anordnung auch einige Nachteile auf. Zum einen ist die
Ladespannung für die Starterbatterie 2 stets um den Spannungsabfall an der Diode 11
reduziert. Zum anderen kann ein Motorstart nicht erfolgen, falls die Bordnetzbatterie 6
derart weit entladen ist, daß diese die Primärverbraucher 4 nicht mehr versorgen kann.
Hierzu müßte dann der Leistungsschalter 10 bereits vor dem eigentlichen Startvorgang
geschlossen werden, um die Bordnetzbatterie 6 über die Starterbatterie 2 ausreichend
aufzuladen. Dazu muß jedoch der Aufwand für das nicht dargestellte Steuergerät wieder
erhöht werden.
Eine mögliche Lösung des Problems der Versorgung der Primärverbraucher 4 beim
Startvorgang bei entladener Bordnetzbatterie 6 ist in Fig. 2 dargestellt. Dazu werden die
Primärverbraucher 4 parallel zur Starterbatterie 2 geschaltet, wodurch deren Versorgung
auch bei entladener Bordnetzbatterie 6 sichergestellt ist. Nachteilig an dieser Anordnung
ist, daß die Versorgung der Primärverbraucher auf Kosten der Starterbatterie 2 geschieht.
Ist im Normal betrieb die Ladestrecke über die Diode 11 gesperrt, so versorgt die
Starterbatterie 2 die Primärverbraucher 4 und kann dadurch entladen werden. Ist die
Ladestrecke über die Diode 11 freigeschaltet, so ist zum einen wieder die Ladespannung
um den Spannungsabfall über der Diode 11 reduziert und zum anderen teilt sich der
Ladestrom auf die Starterbatterie 2 und die Primärverbraucher 4 auf, so daß sich die
Ladung der Starterbatterie 2 im Normalbetrieb verschlechtert.
Zur Lösung dieses Problems kann dem Primärverbraucher 4 ein weiterer Umschalter 12
zugeordnet werden, mittels dessen die Primärverbraucher 4 zwischen Bordnetzbatterie 6
und Starterbatterie 2 umgeschaltet werden können, was in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei
werden die Primärverbraucher 4 im Normalfall über die Bordnetzbatterie 6 versorgt. Ist
hingegen die Bordnetzbatterie 6 entladen, so wird über den Umschalter 12 der
Primärverbraucher 4 mit der Starterbatterie 2 verbunden. Nachteilig an dieser Anordnung
ist der zusätzliche Umschalter 12. Darüber hinaus wird ein nicht dargestellter Meßshunt
benötigt, um die Umschaltbedingungen zu erfassen. Des weiteren ist weiterhin die
Ladespannung für die Starterbatterie 2 um den Spannungsabfall an der Diode 11
reduziert.
Eine umfassende Lösung der Probleme ergibt sich durch die Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 4, bei der die Diode 11 durch einen Power-MOSFET 13 ersetzt wurde, dessen
Drainanschluß mit der Starterbatterie 2 und dessen Sourceanschluß mit den
Primärverbrauchern 4 verbunden ist. Zusätzlich ist zwischen dem Sourceanschluß und
der Bordnetzbatterie 6 ein weiterer Power-MOSFET 14 angeordnet. Herstellungsbedingt
weist der Power-MOSFET 13, 14 eine parasitäre Diode in Inversrichtung auf, die in der
Schaltungsanordnung parallel zur eigentlichen Transistorstrecke eingezeichnet ist. Des
weiteren verfügen die MOSFETs 13, 14 über eine interne Strommessung, einen
Überstromschutz und einen Temperaturschutz. Im Normalbetrieb ist der MOSFET 14 über
eine entsprechende Gatespannung durchgeschaltet und der MOSFET 13 gesperrt in
diesem Fall arbeitet die Schaltung entsprechend der in Fig. 1. Sinkt nun während des
Betriebes die Spannung der Starterbatterie 2 unter die der Bordnetzbatterie 6, so kann
über die parasitäre Diode des MOSFETs 13 ein Ladestrom fließen, wenn die
Spannungsdifferenz ca. 0,7 V ist. Dieser fließende Ladestrom kann über die interne
Strommessung vom Steuergerät erfaßt werden. Das Steuergerät erzeugt dann eine
Gatespannung für den MOSFET 13, so daß dieser durchgeschaltet und invers betrieben
wird. Dadurch kann der Ladestrom von der Bordnetzbatterie 6 vom Sourceanschluß zum
Drainanschluß des MOSFETs 13 fließen und die Starterbatterie aufladen. Da der
Innenwiderstand des durchgeschalteten MOSFETs 13 bei ca. 10 mΩ liegt, steht nahezu
die gesamte Spannung der Bordnetzbatterie 6 als Ladespannung zur Verfügung. Anhand
des Stromverlaufs kann dann das Steuergerät die Beendigung des Ladevorganges
erfassen und den MOSFET 13 wieder sperren. Ist vor einem Startvorgang die
Bordnetzbatterie 6 entladen, so kann dies das Steuergerät anhand des Stromverlaufs am
MOSFET 14 oder der Spannung der Bordnetzbatterie 6 erfassen und diesen sperren.
Durch Freischalten des MOSFETs 13 werden dann die Primärverbraucher 4 über die
Starterbatterie 2 versorgt. Ein Problem der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist, daß
bei einem defekten, sich nicht schließenden Schalter 10 ein Kurzschlußstrom von der
Bordnetzbatterie 6 über die parasitären Dioden der MOSFETs 13, 14 zur Starterbatterie
fließen kann.
Zur Lösung dieses Problems können die MOSFETs 13, 14, wie in Fig. 5 dargestellt,
gegeneinander verpolt werden. Dazu wird der Sourceanschluß des MOSFET 13 mit der
Starterbatterie 2 verbunden. Dadurch ist die parasitäre Diode des MOSFET 13 im Fall des
defekten Schalters 10 in Sperrichtung gepolt und verhindert ein Entladen der
Bordnetzbatterie 6. Allerdings kann somit über die Diode bei entsprechendem Potential
an den Primärverbrauchern 4 ein Strom von der Starterbatterie 2 zu den
Primärverbrauchern 4 fließen und die Starterbatterie 2 entladen. Deshalb werden die
Polrichtungen der beiden MOSFETs 13, 14 umgedreht, was in Fig. 6 dargestellt ist. Im
Kurzschlußfall sperrt die parasitäre Diode des MOSFET 14 und die Entladestrecke der
Starterbatterie 2 wird durch die parasitäre Diode des MOSFET 13 gesperrt. Die
Ansteuerung der beiden MOSFETs 13, 14 und des Schalters 10 kann dabei, wie
schematisch angedeutet, durch ein gemeinsames, einfach aufgebautes Steuergerät 15
vorgenommen werden.
1
Batteriesystem
2
Starterbatterie
3
Generator
4
Primärverbraucher
5
Sekundärverbraucher
6
Bordnetzbatterie
7
Zündanlaßschalter
8
Starter
9
Schalter
10
Leistungsschalter
11
Diode
12
Umschalter
13
Power-MOSFET
14
Power-MOSFET
Claims (8)
1. Zwei-Batteriesystem, umfassend eine Starterbatterie, einen Generator,
Primärverbraucher, eine Bordnetzbatterie, einen Starter und einen zwischen
Starterbatterie und Bordnetzbatterie angeordneten Leistungsschalter, über den
beim Startvorgang die Starterbatterie und die Bordnetzbatterie parallel
zusammenschaltbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
parallel zum Leistungsschalter (10) ein Power-MOSFET (13) angeordnet ist.
2. Zwei-Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Drainanschluß des MOSFET (13) mit der Starterbatterie (2) und der
Sourceanschluß mit der Bordnetzbatterie (6) verbunden ist.
3. Zwei-Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Bordnetzbatterie (6) und dem Primärverbraucher (4) ein Schalter
(12) angeordnet ist, mittels dessen der Strompfad zwischen Bordnetzbatterie (6)
und Primärverbrauchern (4) abschaltbar ist.
4. Zwei-Batteriesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter
(12) als MOSFET (14) ausgebildet ist.
5. Zwei-Batteriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
MOSFETs (13, 14) gegeneinander verpolt angeordnet sind.
6. Zwei-Batteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Source-Anschlüsse der MOSFETs (13, 14) miteinander verbunden sind.
7. Verfahren zur Steuerung eines Zwei-Batteriesystems nach einem der
vorangegangenen Ansprüche, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- a) Erfassen der Ladungsbilanz der Starterbatterie (2) und der Bordnetzbatterie (6) mittels des Stromverlaufs an dem MOSFET (13) und
- b) Durchschalten des MOSFET (13) durch das Steuergerät (15), solange ein Ladestrom von der Bordnetzbatterie (6) zur Starterbatterie (2) fließen kann.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des
Stromverlaufs am MOSFET (14) vor Beginn des Startvorgangs auf den
Ladezustand der Bordnetzbatterie (6) geschlossen wird und bei entladener
Bordnetzbatterie (6) der MOSFET (14) durch das Steuergerät (15) gesperrt und
der MOSFET (13) durchgeschaltet wird.
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