DE102010019296A1

DE102010019296A1 - Energieversorgungsvorrichtung mit unterschiedlichen Batterietypen

Info

Publication number: DE102010019296A1
Application number: DE102010019296A
Authority: DE
Inventors: Martin Feuerbach; Markus Schwentke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs soll vergrößert werden. Hierzu wird eine Energieversorgungsvorrichtung mit einer Traktionsbatterie (1), die zur unmittelbaren Versorgung eines elektrischen Antriebs (2) des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und eine erste Batteriespannung bereitstellt, und einer Ladebatterie (3), mit der die Traktionsbatterie (1) ladbar ist, bereitgestellt. Die Ladebatterie (3) besitzt eine von der ersten Batteriespannung verschiedene zweite Batteriespannung. Zwischen die Ladebatterie (3) und die Traktionsbatterie (1) ist ein Gleichspannungswandler (4) geschaltet, um die zweite Batteriespannung in etwa auf das Niveau der ersten Batteriespannung zu wandeln und die Traktionsbatterie (1) mit Energie der Ladebatterie (3) zu versorgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, die zur unmittelbaren Versorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und eine Batteriespannung bereitstellt und einer Ladebatterie, mit der die Traktionsbatterie ladbar ist.
Elektrofahrzeuge besitzen eine Reichweite, die durch die Kapazität ihrer Energieversorgungsvorrichtung bzw. Batterie beschränkt ist. Generell besteht das Bestreben, die begrenzte Reichweite zu steigern. Hierzu bestehen zahlreiche Ansätze.
Beispielsweise werden Lithium-Ionen-Batterien als Traktionsbatterien eingesetzt. Die Kapazität dieser Batterien bestimmt die Reichweite für rein elektrische Fahrt. Zur Steigerung dieser Reichweite kann die Lithium-Ionen-Batterie vergrößert werden. Dies ist jedoch mit erheblichem Aufwand und hohen Kosten verbunden.
Eine Alternative zur Steigerung der Reichweite besteht darin, zu den bereits im Fahrzeug befindlichen Lithium-Ionen-Batterien zusätzliche Lithium-Ionen-Batterien hinzuzufügen. Für die Unterbringung dieser zusätzlichen Lithium-Ionen-Batterien ergibt sich jedoch ein verhältnismäßig großer Aufwand für die Kühlung, das Batteriemanagement und dergleichen. Außerdem ist es nur sinnvoll, Lithium-Ionen-Batterien mit dem gleichen Zelltyp zu den bereits eingebauten Batterien hinzuzufügen.
Ein vollständig anderes Konzept zur Steigerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs besteht durch so genannte „Range Extender”. Dabei handelt es sich in der Regel um einen Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt, welcher wiederum die Batterie versorgt. Letztlich handelt es sich dann aber nicht mehr um eine reine elektrische Fahrt, was im Hinblick auf den praktischen Einsatz in gesperrten Zonen einer Großstadt zu City-Maut führen kann.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift US 2002/0145404 A1 ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug bekannt, das unterschiedliche Leistungspegel liefern kann. Hierzu besitzt das Speichersystem eine so genannte Energiebatterie, die an eine so genannte Leistungsbatterie angeschlossen ist. Die Energiebatterie besitzt eine höhere Energiedichte als die Leistungsbatterie. Die Leistungsbatterie kann jedoch die elektrische Leistung für den Elektromotor mit unterschiedlichen Leistungsraten liefern, so dass der Elektromotor sinnvoll in mehreren Leistungsstufen betrieben werden kann. Die Leistungsbatterie wird ständig durch die Energiebatterie aufgeladen. Dazu ist die Spannung der Energiebatterie an die Spannung der Leistungsbatterie angepasst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs möglichst kostengünstig zu steigern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach wird eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, die zur unmittelbaren Versorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und eine erste Batteriespannung bereitstellt, und einer Ladebatterie, mit der die Traktionsbatterie ladbar ist, vorgeschlagen. Die Ladebatterie stellt eine von der ersten Batteriespannung verschiedene zweite Batteriespannung bereit. Darüber hinaus ist zwischen die Ladebatterie und die Traktionsbatterie ein Gleichspannungswandler geschaltet, um die zweite Batteriespannung in etwa auf das Niveau der ersten Batteriespannung zu wandeln und die Traktionsbatterie mit Energie der Ladebatterie zu versorgen.
In vorteilhafter Weise ermöglicht der Gleichspannungswandler, dass für die Ladebatterie ein vollkommen anderer Batterietyp verwendet werden kann als für die. Traktionsbatterie. Durch diesen Freiheitsgrad kann die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs kostengünstig erhöht werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Traktionsbatterie um eine Hochvoltbatterie, deren Spannung typischerweise über 100 V liegt. Die Ladebatterie weist günstigerweise mindestens eine Bleibatterie mit einer Nennspannung von 12 V auf. Es können mehrere derartige Bleibatterien zu einem Batteriemodul zusammengefügt sein.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Gleichspannungswandler bidirektional ausgebildet und besitzt zusätzlich die Funktion eines Batterieladers. Für den Ladebetrieb kann außerdem eine Leistungsverteilungseinheit zwischen den Gleichspannungswandler und die Traktionsbatterie geschaltet sein, mit der Energie einer externen Einheit (z. B. Onboard-Lader) aufnehmbar und an die Ladebatterie sowie die Traktionsbatterie verteilbar ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung für einen elektrischen Antrieb und
2 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Die Erfindung basiert auf den Gedanken, die Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs in eine Traktionseinheit und eine Ladeeinheit aufzuteilen. Die Ladeeinheit wird dabei über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) an die Traktionseinheit angebunden.
Dieses Konzept ist in 1 schematisch dargestellt. Eine Traktionsbatterie 1 dient als unmittelbare Energiequelle für einen elektrischen Antrieb 2. Bei der Traktionsbatterie handelt es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie, die mit entsprechenden Komponenten für Steuerung und Überwachung (z. B. Batteriemanagementsystem) sowie Komponenten für Kühlung ausgestattet ist. Aufgrund der Kapazität der Traktionsbatterie 1 ist eine gewisse Reichweite des Fahrzeugs gegeben. Um diese Reichweite zu erhöhen, ist hier eine Ladebatterie 3 vorgesehen, die mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers 4 an die Traktionsbatterie 1 hier mittelbar über eine PDU 5 (Power Distribution Unit) angebunden ist.
Die Ladebatterie 3 besteht im vorliegenden Beispiel aus drei Bleibatterien, die in Reihe geschaltet werden, da somit niedrigere Ströme und folglich geringere Leitungsquerschnitte benötigt werden. Daraus ergibt sich eine Spannung von 36 V an der Ladebatterie 3.
Die Traktionsbatterie 1 ist im vorliegenden Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie, die hier eine Spannung von 236,8 V liefert. Somit kann die elektrische Energie der Ladebatterie 3 aufgrund der unterschiedlichen Spannungen nicht direkt an die Traktionsbatterie 1 weitergegeben werden. Dies erfordert den genannten Gleichstromwandler 4, der hier bidirektional ausgeführt ist. Außerdem kann dieser Gleichstromwandler 4 weitere Funktionen im Hinblick auf das Laden der Ladebatterie 3 aufweisen und daher auch als Batterie-Lader betitelt werden.
Im Betrieb erfolgt die Energiezufuhr zum elektrischen Antrieb 2 gemäß den durchgezogenen Pfeilen. Demnach verläuft er von der Ladebatterie 3 zum Batterielader bzw. Gleichspannungswandler 4 und weiter durch die PDU 5 zur Traktionsbatterie 1. Diese stellt die Energie für den elektrischen Antrieb 2 zur Verfügung.
Die Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Beispiel kann über die Steckdose, d. h. über die übliche Netzspannung, geladen werden. Daher ist ein entsprechender Stecker 6 am Fahrzeug vorgesehen. Ein Umrichter 7 wandelt die Netzspannung in eine geeignete Lade-Gleichspannung.
Der Energiestrom zum Laden ist in 1 mit den gestrichelten Pfeilen markiert. Demnach wird zunächst der Gleichrichter 7 über den Stecker 6 aus der Steckdose gespeist. Er gibt die elektrische Energie an die Traktionsbatterie 1 sowie an die Ladebatterie 3 weiter, weshalb ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 4 benötigt wird. Um die Energie auf die beiden Energiespeicher zu verteilen, wird die PDU 5, eine Stromverteilungseinheit, benötigt.
2 zeigt den Verlauf eines Ladevorgangs bei einer elektrischen Fahrt. Im oberen Abschnitt ist der Ladezustand (SOC = State of Charge) der Traktionsbatterie 1 (T-BATT) über der Fahrzeit (t) bzw. der zurückgelegten Strecke idealisiert dargestellt. Ohne Ladebatterie 3 sinkt der Ladezustand bis zu einem gewissen Pegel p0 bis zum Zeitpunkt t0 ab (vgl. Kurve 8). Wird hingegen die Ladebatterie 3 verwendet, sinkt der Ladezustand erst beim Zeitpunkt t1, der nach dem Zeitpunkt t0 liegt, auf p0 ab (vgl. Kurve 9).
Im unteren Teil der 2 ist der Ladezustand SOC der Ladebatterie 3 (L-BATT) idealisiert dargestellt. Auch er sinkt von Fahrtbeginn an gemäß Kurve 10 bis zum Zeitpunkt t1 auf ein vorgegebenes Minimum p1 ab. Während des Betriebs mit der Ladebatterie 3 fließt Ladung Q von der Ladebatterie 3 zur Traktionsbatterie 1. Durch diese zusätzliche Ladung ergibt sich die Verlängerung 11 der Fahrtzeit bzw. eine entsprechende Verlängerung der Fahrstrecke.
In vorteilhafter Weise wird durch die Ladebatterie und den Gleichspannungswandler eine zusätzliche elektrische Energiequelle bereitgestellt, die die Traktionsbatterie unterstützt. Unabhängig von der Traktionsbatterie kann für die Ladebatterie ein unterschiedlicher Zelltyp verwendet werden. Es sind also verschiedene Batterietypen koppelbar, z. B. auch kostengünstige Bleibatterien mit teureren Lithium-Ionen-Batterien. Mit anderen Worten: In der Energieversorgungsvorrichtung sind verschiedene Spannungslagen kombinierbar.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 ein bidirektionaler DC/DC- bzw. Gleichspannungswandler zum Laden und Entladen verwendet wird. Die Kombinierbarkeit unterschiedlicher Batterietypen kann weiterhin den Vorteil bringen, dass die Ladebatterien ohne oder durch eine unabhängige Kühlung (z. B. Luft) auskommt.
Durch die beiden Batterien und den Gleichspannungswandler im Fahrzeug kann eine Notlauffunktion bereitgestellt werden. Demnach kann es ermöglicht werden, bei Ausfall der Traktionsbatterie mit der Ladebatterie und umgekehrt weiterzufahren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2002/0145404 A1 [0006]

Claims

Energieversorgungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit – einer Traktionsbatterie (1), die zur unmittelbaren Versorgung eines elektrischen Antriebs (2) des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und eine ersten Batteriespannung bereitstellt, und – einer Ladebatterie (3), mit der die Traktionsbatterie (1) ladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ladebatterie (3) eine von der ersten Batteriespannung verschiedene zweite Batteriespannung bereitstellt, und – zwischen die Ladebatterie (3) und die Traktionsbatterie (1) ein Gleichspannungswandler (4) geschaltet ist, um die zweite Batteriespannung in etwa auf das Niveau der ersten Batteriespannung zu wandeln und die Traktionsbatterie (1) mit Energie der Ladebatterie (3) zu versorgen.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie (1) eine Hochvoltbatterie ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladebatterie (3) mindestens eine Bleibatterie mit einer Nennspannung von 12 V aufweist.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (4) bidirektional ausgebildet ist und zusätzlich die Funktion eines Batterieladers besitzt.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungswandler (4) und die Traktionsbatterie (1) eine Leistungsverteilungseinheit (5) geschaltet ist, mit der Energie einer externen Einheit aufnehmbar und an die Ladebatterie (3) sowie die Traktionsbatterie (1) verteilbar ist.