DE102010001682A1

DE102010001682A1 - Vollständige Integration von Energiespeichern und Leistungselektronik in Elektro- und Hybridfahrzeugen im Umfeld Ladestation/Energienetz

Info

Publication number: DE102010001682A1
Application number: DE102010001682A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bosch; Joachim Fetzer; Holger Fink
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2012-01-19
Also published as: WO2011098307A3; WO2011098307A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung von Energiefluss, wobei die Anordnung mit einem elektrischen Antriebsmotor (18) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges, einem mit dem Antriebsmotor (18) verbundenen Wechselrichter (15), einem mit dem Wechselrichter (15) verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Antriebsbatterie versehen ist. Die Anordnung weist ein Motorschütz (1), welches ausgebildet ist, den Antriebsmotor (18) vom Wechselrichter (15) auf ein Steuersignal hin abzutrennen, und einen zwischen Wechselrichter (15) und Motorschütz (1) angeordneten Anschluss (16) für eine externe Wechselspannungsquelle auf. Ferner wird ein Fahrzeug mit solch einer Anordnung beschrieben. Schließlich wird ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit solch einer Anordnung vorgestellt.

Description

Stand der Technik
In Elektrofahrzeugen und sog. Hybrid-Fahrzeugen mit sowohl einem Elektro- als auch einem Verbrennungsmotor werden elektrochemische Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für die Antriebsenergie eingesetzt. Die Energiespeicher werden üblicherweise über ein internes oder externes Ladegerät aufgeladen.
Es existieren nun Konzepte, die Energiespeicher zur Stabilisierung des elektrischen Energieversorgungsnetzes zu nutzen, da die dezentrale Natur einer solchen Struktur große Vorteile besitzt. Besondere Bedeutung gewinnen derartige Konzepte im Zusammenhang mit dem vermehrten Einsatz erneuerbarer Energien. Durch die starke zeitliche Varianz der Verfügbarkeit bestimmter regenerativer Energie wie z. B. der Wind- oder der Solarenergie werden entsprechende Schwankungen des Leistungsangebotes im elektrischen Energieverteilungsnetz verursacht. Für die Gewährleistung einer stabilen elektrischen Energieversorgung ist es wünschenswert, diese Schwankungen durch geeignete Puffer wie z. B. Energiespeicher in Elektrofahrzeugen ausgleichen zu können.
Dazu wird vorgeschlagen, die in den Fahrzeugen eingebauten Energiespeicher über Ladestationen an das elektrische Energieversorgungsnetz zu koppeln. In diesen Ladestationen ist ein Umrichter integriert, über den das mit Wechsel- oder Drehstrom gespeiste Energieversorgungsnetz mit dem Gleichspannungszwischenkreis im Fahrzeug gekoppelt wird. Die Ladestation wird hierbei entweder innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs angebracht. Im ersteren Fall muss das Fahrzeug einen Anschluss für eine Wechsel- oder Drehspannung aufweisen, im zweiten Fall für eine Gleichspannung. Zusätzlich wird zwischen Ladestation und der Steuerelektronik im Fahrzeug (z. B. in einer Batteriemanagementeinheit) ein Steuersignal übertragen, über das der Energiefluss zwischen Ladestation und Energiespeicher im Fahrzeug gesteuert wird.
Die Erfindung hat das Ziel, eine preiswerte und weniger komplexe Anordnung einzuführen, welche für die obengenannten Konzepte geeignet ist.
Offenbarung der Erfindung
Ein erster Erfindungsaspekt betrifft eine Anordnung mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges, einem mit dem Antriebsmotor verbundenen Wechselrichter, einem mit dem Wechselrichter verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Antriebsbatterie. Erfindungsgemäß weist die Anordnung ein Motorschütz, welcher ausgebildet ist, den Antriebsmotor vom Wechselrichter auf ein Steuersignal hin abzutrennen, und einen zwischen Wechselrichter und Motorschütz angeordneten Anschluss für eine externe Wechselspannungsquelle auf. Soweit hier der Begriff „Motorschütz” verwendet wird, kann ein beliebiger für den Anwendungszweck geeigneter Schalter gemeint sein.
Vorteilhaft kann ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Anordnung versehen werden. Es wird explizit darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Einfachheit in der folgenden Beschreibung der Begriff „Kraftfahrzeug” verwendet wird, womit sowohl ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Anordnung als auch nur die erfindungsgemäße Anordnung an sich gemeint ist, sofern nicht aus dem Kontext die letztere Möglichkeit ausgeschlossen wird.
Das Kraftfahrzeug der Erfindung besitzt den Vorteil, dass der nach dem Stand der Technik benötigte Umrichter in der Ladestation bzw. das interne Ladegerät wegfallen können. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der Komplexität der zur Nutzung der Antriebsbatterie erforderlichen Infrastruktur sowie eine signifikante Kostenreduktion. Entfällt das interne Ladegerät, hat dies zudem eine Gewichtsreduktion des Kraftfahrzeuges mit den Vorteilen längerer Laufzeit und größerer Beschleunigung zur Folge.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Wechselrichter des Kraftfahrzeuges die Aufgaben des Umrichters der Ladestation bzw. des internen Ladegerätes übernehmen kann. Das Motorschütz wird notwendig, um den Antriebsmotor spannungsfrei zu schalten, wenn die Antriebsbatterie mit dem Energieversorgungsnetz verbunden wird.
Aus Gründen der Kompatibilität mit vorbekannten Lösungen kann das Kraftfahrzeug jedoch zusätzlich einen im Gleichspannungszwischenkreis angeordneten Anschluss für eine externe Gleichspannungsquelle besitzen. Hierdurch wird es möglich, das Kraftfahrzeug weiterhin mit einem herkömmlichen Gleichspannungsladegerät aufzuladen.
Bevorzugt weist die Antriebsbatterie wenigstens ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einen DC/DC-Umsetzer auf, wobei der DC/DC-Umsetzer ausgebildet ist, eine Batteriespannung des Batteriemoduls in eine vorbestimmte Gleichspannung umzusetzen und an den Gleichspannungszwischenkreis auszugeben und eine Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Aufladespannung umzusetzen und an das Batteriemodul auszugeben und so das Batteriemodul aufzuladen. Der DC/DC-Umsetzer entkoppelt die Batteriezellen des Batteriemoduls, welche eine vom jeweiligen Ladezustand abhängende Ausgangsspannung aufweisen, vom Gleichspannungszwischenkreis und ermöglicht so eine konstante Zwischenkreisspannung. Dies macht es möglich, den Wechselrichter für diese konstante Zwischenkreisspannung zu optimieren und schafft eine einheitliche Schnittstelle zwischen Energiespeicher und Antrieb.
Das Kraftfahrzeug kann mit einer Batteriemanagementeinheit und einem Decoder, welcher z. B. im Anschluss für die externe Wechselspannungsquelle angeordnet sein kann, ausgestattet sein, wobei die Batteriemanagementeinheit ausgebildet ist, einen Ladezustand der Antriebsbatterie zu bestimmen und Steuersignale für das Motorschütz und den Wechselrichter zu erzeugen. Der Decoder kann ausgebildet sein, ein von der externen Wechselspannungsquelle auf eine externe Versorgungsspannung aufmoduliertes externes Steuersignal zu empfangen und zu decodieren und das decodierte externe Steuersignal an die Batteriemanagementeinheit weiterzugeben.
Die Übertragung der zur Steuerung des Energieflusses zwischen Antriebsbatterie und Energieversorgungsnetz benötigten Informationen erfolgt durch Aufmodulieren auf die Spannung der externen Wechselspannungsquelle. Dadurch kann eine gesonderte Signalleitung neben den Leitungen für die Ladespannung entfallen. Das verwendete Übertragungsverfahren orientiert sich z. B. an der sog. Powerline-Communication zur Übertragung von Datensignalen über das Energieversorgungsnetz in Haushalten oder Bürogebäuden („Internet aus der Steckdose”).
Dabei kann die Batteriemanagementeinheit ausgebildet sein, Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer zu erzeugen, wobei die Erzeugung der Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer, das Motorschütz und den Wechselrichter abhängig von dem externen Steuersignal ist. Die Batteriemanagementeinheit kontrolliert demzufolge die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugnetzes, wird dabei jedoch von außen gesteuert, wenn das Kraftfahrzeug an das Energieversorgungsnetz angeschlossen wird.
Das Kraftfahrzeug kann einen in den Gleichspannungszwischenkreis geschalteten Pufferkondensator besitzen, welcher ausgebildet ist, die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises zu stabilisieren.
Ein zweiter Erfindungsaspekt führt ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes ein. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Anschließen einer Anordnung oder eines Kraftfahrzeuges nach dem ersten Erfindungsaspekt an das elektrische Energieversorgungsnetz;
– Speichern von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz in der Antriebsbatterie der Anordnung oder des Kraftfahrzeuges während einer Zeitperiode geringer Netzbelastung; und
– Abgeben der gespeicherten elektrischen Energie an das Energieversorgungsnetz in einer Zeitperiode hoher Netzbelastung.

Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriemanagementeinheit, welche die Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer, das Motorschütz und den Wechselrichter abhängig von dem externen Steuersignal erzeugt, eingesetzt. Die Zeitperiode geringer Netzbelastung und die Zeitperiode hoher Netzbelastung werden der Batteriemanagementeinheit durch ein Steuersignal aus dem Energieversorgungsnetz angezeigt.
Zeichnungen
Beschreibung der Abbildung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges. Ein Batteriemodul 10 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen dient als Energiespeicher und ist mit einem DC/DC-Umsetzer 12 verbunden, welcher die vom jeweiligen Ladezustand der Batteriezellen abhängige Ausgangsspannung des Batteriemoduls 10 in eine vorgegebene Zwischenkreisspannung umwandelt und an einen Gleichspannungszwischenkreis ausgibt. Außerdem kann der DC/DC-Umsetzer die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Ladespannung für das Batteriemodul 10 umsetzen.
Der Gleichspannungszwischenkreis besitzt im abgebildeten Beispiel einen Pufferkondensator 13 zur Glättung der Zwischenkreisspannung. Das Kraftfahrzeug der 1 besitzt zudem einen ebenfalls optionalen Anschluss 14 für eine Gleichspannung, über den das Batteriemodul 10 durch eine extern erzeugte Gleichspannung aufgeladen werden kann. Der Gleichspannungszwischenkreis ist mit einem Wechselrichter 15 verbunden, welcher die Zwischenkreisspannung in einer Antriebsspannung geeigneter Frequenz für einen elektrischen Antriebsmotor 18 umsetzt. Außerdem kann der Wechselrichter eine über einen Anschluss 16 für eine externe Wechselspannungsquelle eingespeiste Wechsel- oder Drehstromspannung in eine Gleichspannung für den Gleichspannungszwischenkreis umsetzen.
Zwischen dem Anschluss 16 für die externe Wechselspannungsquelle und den elektrischen Antriebsmotor 18 ist ein Motorschütz 1 oder ein anderer für den Einsatzzweck geeigneter Schalter geschaltet, das den elektrischen Antriebsmotor 18 spannungsfrei schaltet, wenn über den Anschluss 16 eine externe Wechselspannungsquelle an das Kraftfahrzeug angeschlossen wird.
Das Kraftfahrzeug verfügt außerdem über eine Batteriemanagementeinheit 11, welche mit dem Batteriemodul 10, dem DC/DC-Umsetzer 12, dem Wechselrichter 15 und dem Motorschütz 1 verbunden ist und deren Betriebsweise steuert. Der Anschluss 16 weist einen Decoder für ein auf die Wechselspannung der externen Wechselspannungsquelle moduliertes Steuersignal auf und ist mit der Batteriemanagementeinheit 11 verbunden. Die Batteriemanagementeinheit 11 kann über das Steuersignal ihrerseits wiederum von extern gesteuert werden.
Abhängig von der Richtung des Energieflusses wird entweder der über die Ladestation eingespeiste Wechselstrom gleichgerichtet und lädt über den DC/DC-Umsetzer 12 die Antriebsbatterie (Batteriemodul 10 und die Batteriemanagementeinheit 11), oder der aus der Antriebsbatterie entnommene Gleichstrom wird über den Wechselrichter 15 umgerichtet und ins Energieversorgungsnetz zurückgespeist.
Das Lademanagement erfolgt dabei vorteilhafterweise über die Batteriemanagementeinheit 11, in welche die hierfür erforderlichen Algorithmen integriert sein können. Somit wird das nach dem Stand der Technik benötigte Batterieladegerät durch eine Kombination von DC/DC-Umsetzer 12 und Batteriemanagementeinheit 11 ersetzt.

Claims

Anordnung zur Steuerung von Energiefluss, umfassend einen elektrischen Antriebsmotor (18) zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges, einen mit dem Antriebsmotor (18) verbundenen Wechselrichter (15), einen mit dem Wechselrichter (15) verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und eine mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Antriebsbatterie, gekennzeichnet durch ein Motorschütz (1), welches ausgebildet ist, den Antriebsmotor (18) vom Wechselrichter (15) auf ein Steuersignal hin abzutrennen, und einen zwischen Wechselrichter (15) und Motorschütz (1) angeordneten Anschluss (16) für eine externe Wechselspannungsquelle.
Anordnung nach Anspruch 1, bei dem der Wechselrichter (15) ausgebildet ist, eine von der externen Wechselspannungsquelle bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung umzusetzen und an den Gleichspannungszwischenkreis auszugeben.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem im Gleichspannungszwischenkreis angeordneten Anschluss (14) für eine externe Gleichspannungsquelle.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Antriebsbatterie ein Batteriemodul (10) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einen DC/DC-Umsetzer (12) aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Batteriespannung des Batteriemoduls (10) in eine vorbestimmte Gleichspannung umzusetzen und an den Gleichspannungszwischenkreis auszugeben und eine Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Aufladespannung umzusetzen und an das Batteriemodul (10) auszugeben und so das Batteriemodul (10) aufzuladen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Batteriemanagementeinheit (11) und einem im Anschluss (16) für die externe Wechselspannungsquelle angeordneten Decoder, wobei die Batteriemanagementeinheit (11) ausgebildet ist, einen Ladezustand der Antriebsbatterie zu bestimmen und Steuersignale für das Motorschütz (1) und den Wechselrichter (15) zu erzeugen, und wobei der Decoder ausgebildet ist, ein von der externen Wechselspannungsquelle auf eine externe Versorgungsspannung aufmoduliertes externes Steuersignal zu empfangen und decodieren und das decodierte externe Steuersignal an die Batteriemanagementeinheit (11) weiterzugeben.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Batteriemanagementeinheit (11) ausgebildet ist, Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer (12) zu erzeugen, wobei die Erzeugung der Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer (12), das Motorschütz (1) und den Wechselrichter (15) abhängig von dem externen Steuersignal ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem in den Gleichspannungszwischenkreis geschalteten Pufferkondensator (13), welcher ausgebildet ist, die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises zu stabilisieren.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit den Schritten: – Anschließen einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Kraftfahrzeuges nach Anspruch 8 an das elektrische Energieversorgungsnetz; – Speichern von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz in der Antriebsbatterie der Anordnung oder des Kraftfahrzeuges während einer Zeitperiode geringer Netzbelastung; und – Abgeben der gespeicherten elektrischen Energie an das Energieversorgungsnetz in einer Zeitperiode hoher Netzbelastung.
Verfahren von Anspruch 9, bei dem das Kraftfahrzeug ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, rückbezogen auf Anspruch 6 oder Anspruch 7, rückbezogen auf Anspruch 6, ist und die Zeitperiode geringer Netzbelastung und die Zeitperiode hoher Netzbelastung durch ein Steuersignal aus dem Energieversorgungsnetz der Batteriemanagementeinheit (11) angezeigt werden.