DE102012003309B4 - Elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems - Google Patents

Elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems Download PDF

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Abstract

Elektrisches Energiesystem (1) in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochspannungsseite (HSS) und eine Niederspannungsseite (NSS), wobei auf der Hochspannungsseite (HSS) mindestens eine Spannungsquelle angeordnet ist und auf der Niederspannungsseite (NSS) elektrische Bordnetzverbraucher (4) angeordnet sind, wobei die Hochspannungsseite (HSS) und die Niederspannungsseite (NSS) über DC/DC-Wandler (5, 6) verbunden sind, wobei die Spannungsquelle aus einer Reihenschaltung von Zellen besteht, wobei die Reihenschaltung in mindestens zwei Teilstränge (2, 3) unterteilt ist, die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den Teilsträngen (2, 3) jeweils ein DC/DC-Wandler (5, 6) angeordnet ist, deren Spannungsausgänge auf der Niederspannungsseite (NSS) miteinander verbunden sind, wobei die DC/DC-Wandler (5, 6) zeitlich seriell ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Niederspannungsseite (NSS) eine Einrichtung zur Ermittlung oder Abschätzung des Strombedarfs angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, ein Signal zum parallelen Einschalten der DC/DC-Wandler (5, 6) zu generieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems.
  • Aus der DE 10 2010 025 198 A1 ist ein elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug bekannt, umfassend einen DC/DC-Wandler mit einer Hochspannungsseite und einer Niederspannungsseite, wobei an der Hochspannungsseite mindestens eine Traktionsbatterie angeschlossen ist und an der Niederspannungsseite elektrische Verbraucher angeschlossen sind, wobei der DC/DC-Wandler durch ein Steuersignal einer elektrischen Einrichtung einschaltbar oder aufweckbar ist, wobei die elektrische Einrichtung auf der Hochspannungsseite angeordnet ist oder mit einem lokal der elektrischen Einrichtung zugeordneten elektrischen Energiespeicher ausgebildet ist, mittels dessen mindestens das Steuersignal erzeugbar ist. Hierdurch ist es möglich, die Verbraucher auf der Niederspannungsseite ausschließlich über die heruntertransformierte Hochspannung der Traktionsbatterie zu versorgen, so dass auf eine Batterie auf der Niederspannungsseite verzichtet werden kann, was Gewicht, Bauraum und Kosten reduziert.
  • Aus der DE 10 2009 054 823 A1 ist ein Energieübertragungssystem für ein Energiespeichersystem bekannt, umfassend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils wenigstens einer Speicherzelle und je einem ersten und einem zweiten Pol, wobei der erste und zweite Pol zum Anschließen wenigstens einer Gleichspannungswandlers des Energiespeichersystems ausgebildet sind, wobei wenigstens zwei Speicherzellen ein unterschiedliches Verhältnis von Leistung zu Energie aufweisen. Dabei sind die Gleichspannungswandler ausgangsseitig parallel und/oder in Serie geschaltet.
  • Aus der DE 10 2009 054 818 A1 ist ein Umrichter für ein elektrisches Energiespeichersystem bekannt, mit einem Energieübertrager, einem Wechselrichter und einem zwischen dem Energieübertrager und dem Wechselrichter zwischengeschaltetem Zwischenkreis mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator. Dabei weist der Energieübertrager mehrere Gleichspannungswandler auf, die zwischenkreisseitig miteinander parallel und/oder in Serie geschaltet sind, wobei jeder der Gleichspannungswandler mittels eines ersten und eines zweiten Eingangs an jeweils ein Energiespeichermodul des Energiespeichersystems anschließbar ist, wobei der Zwischenkreiskondensator ein Zwischenspeicher einer vom Energieübertrager zumindest mitgebildeten Speichermodul - Ausgleichsschaltung ist.
  • Aus der DE 10 2009 046 553 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Spannung von einem ersten auf ein zweites Spannungsniveau bekannt, wobei ein Spannungswandler die Spannung zwischen den beiden Spannungsniveaus anpasst und der Spannungswandler ein Koppelelement zwischen dem ersten dem zweiten Spannungsniveau darstellt und die Energie vom ersten auf das zweite Spannungsniveau überträgt.
  • Aus der DE 600 34 955 T2 ist eine Abgleichschaltung zum Abgleich von Spannungen einer Reihenschaltung von Kondensatoren bekannt.
  • Aus der JP 2009 - 55 690 A ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Zell-Balancings bekannt, wobei die Zellen mittels AC/DC-Wandlern gezielt transformatorisch entladen werden und anschließend die Energie wieder transformatorisch in eine andere Zelle zurückgeladen wird.
  • Aus der US 2010/ 0 117 593 A1 ist ein gattungsgemäßes elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine Hochspannungsseite und eine Niederspannungsseite, wobei auf der Hochspannungsseite mindestens eine Spannungsquelle angeordnet ist und auf der Niederspannungsseite elektrische Bordnetzverbrauche angeordnet sind. Die Hochspannungsseite und die Niederspannungsseite sind über DC/DC-Wandler verbunden, wobei die Spannungsquelle aus einer Reihenschaltung von Zellen besteht, wobei die Reihenschaltung in mindestens zwei Teilstränge unterteilt ist, die in Reihe geschaltet sind. Parallel zu den Teilstränden ist jeweils ein DC/DC-Wandler angeordnet, deren Spannungsausgänge auf der Niederspannungsseite miteinander verbunden sind, wobei die DC/DC-Wandler zeitlich seriell ansteuerbar sind.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein gattungsgemäßes elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu verbessern sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen elektrischen Energiesystems zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das elektrische Energiesystem eine Hochspannungsseite und eine Niederspannungsseite, wobei auf der Hochspannungsseite mindestens eine Spannungsquelle angeordnet ist und auf der Niederspannungsseite elektrische Bordnetzverbraucher angeordnet sind, wobei die Hochspannungsseite und die Niederspannungsseite über einen DC/DC-Wandler verbunden sind, wobei die Spannungsquelle aus einer Reihenschaltung von Zellen besteht, wobei die Reihenschaltung in mindestens zwei Teilstränge unterteilt ist, die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den Teilsträngen jeweils ein DC/DC-Wandler angeordnet ist, deren Spannungsausgänge auf der Niederspannungsseite miteinander verbunden sind. Hierdurch ergibt sich eine im doppelten Sinne redundante Spannungsversorgung für die Niederspannungsseite. So ist das Energiesystem nicht nur fehlertolerant gegenüber einem Defekt eines DC/DC-Wandlers, sondern auch gegenüber einem Ausfall einer Zelle. Dabei wird in einer Ausführungsform die Reihenschaltung in genau zwei Teilstränge mit jeweils einem DC/DC-Wandler unterteilt. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der DC/DC-Wandler minimal ist. Aus verschiedenen Gründen kann es jedoch wünschenswert sein, mehr als zwei Teilstränge vorzusehen. Soll beispielsweise auch ein Zellbalancing durchgeführt werden, so sollte die Anzahl der Zellen pro DC/DC-Wandler nicht zu hoch sein. Unter einem Zellbalancing wird dabei ein Abgleich der einzelnen Spannungen der Zellen untereinander verstanden. Ein weiterer Grund für mehr als zwei DC/DC-Wandler kann deren Stromtragfähigkeit sein. Benötigt die Niederspannungsseite viel Strom, so kann dieser über mehrere DC/DC-Wandler besser verteilt werden. Des Weiteren erhöhen mehrere DC/DC-Wandler die Fehlertoleranz gegenüber Mehrfachfehlern.
  • Die DC/DC-Wandler können dabei seriell oder parallel angesteuert werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die DC/DC-Wandler wechselseitig (seriell) angesteuert werden. Dies reduziert die Leistungsaufnahme der DC/DC-Wandler und führt zu einer gleichmäßigen Entladung der Teilstränge. Insbesondere bei hohem Strombedarf auf der Niederspannungsseite können jedoch auch alle oder mehrere DC/DC-Wandler parallel angesteuert werden. Hierzu ist auf der Niederspannungsseite eine Einrichtung zur Ermittlung oder Abschätzung des Strombedarfs angeordnet, die dann ein Signal zum parallelen Einschalten der DC/DC-Wandler generiert.
  • Dabei kann durch geeignete Wahl der Ansteuerzyklen der DC/DC-Wandler auch ein Zellbalancing bzw. ein Balancing der Teilstränge durchgeführt werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Spannungsquelle als Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges ausgebildet. In diesem Fall ist dann die Hochspannungsseite die Traktionsseite und die Niederspannungsseite eine Bordnetzseite. Aufgrund der redundanten Spannungsversorgung der Niederspannungsseite kann auf Spannungsquellen auf der Niederspannungsseite gänzlich verzichtet werden oder aber diese mit geringeren Anforderungen ausgelegt werden, beispielsweise hinsichtlich der Ladekapazität.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die DC/DC-Wandler als unidirektionale Abwärtswandler ausgebildet, die sehr einfach im Aufbau sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Niederspannungsseite ein Glättungskondensator angeordnet, der die wellige Ausgangsspannung der DC/DC-Wandler glättet. Der Glättungskondensator ist dabei vorzugsweise ein Doppelschichtkondensator (Supercap), der gleichzeitig einen Pufferspeicher für Strompeaks darstellt.
  • Die Zellen auf der Hochspannungsseite können dabei als Batteriezellen (z.B. Li-Ionen-Batterien) oder als Doppelschichtkondensatoren ausgebildet sein.
  • Weiter können die DC/DC-Wandler auch abschaltbar ausgebildet sein. Benötigt dann beispielsweise die Niederspannungsseite keinen Ruhestrom, so können die DC/DC-Wandler abgeschaltet werden. Vorzugsweise umfasst das elektrische Energiesystem jedoch eine Einrichtung, mittels derer die DC/DC-Wandler einschaltbar bzw. aufweckbar sind, wobei hinsichtlich der Ausbildung der Einrichtung auf die DE 10 2010 025 198 A1 Bezug genommen wird.
  • Wie bereits ausgeführt, können die elektrischen Bordnetzverbraucher auf der Niederspannungsseite gänzlich von der Hochspannungsseite aus versorgt werden, wobei gegebenenfalls Spitzenströme von Kondensatoren auf der Niederspannungsseite gepuffert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Energiesystems in einem Kraftfahrzeug.
  • Das elektrische Energiesystem 1 umfasst eine Hochspannungsseite HSS und eine Niederspannungsseite NSS. Auf der Hochspannungsseite HSS sind n Batteriezellen BZ1-BZn angeordnet, die in Reihe geschaltet sind, wobei n vorzugsweise eine gerade Zahl ist. Die Reihenschaltung der n Batteriezellen BZ1-BZn ist in zwei Teilstränge 2, 3 unterteilt. Dabei wird der erste Teilstrang 2 durch die Reihenschaltung der Batteriezellen BZ1-BZn/2 gebildet. Der zweite Teilstrang 3 wird durch die Reihenschaltung der Batteriezellen BZ (n/2+1) - BZn gebildet. Die beiden Teilstränge 2, 3 sind dabei in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Batteriezellen BZ1-BZn bildet dabei eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
  • Dabei sei angemerkt, dass parallel zu den Batteriezellen BZ1-BZn weitere Batteriezellen geschaltet sein können, was aber nicht dargestellt ist.
  • Auf der Niederspannungsseite NSS sind elektrische Bordnetzverbraucher 4 sowie ein Glättungs- bzw. Pufferkondensator C angeordnet, wobei exemplarisch nur ein Bordnetzverbraucher 4 dargestellt ist.
  • Zwischen der Hochspannungsseite HSS und der Niederspannungsseite NSS sind zwei DC/DC-Wandler 5, 6 angeordnet. Dabei liegt an dem Eingang des ersten DC/DC-Wandlers 5 auf der Hochspannungsseite HSS die Spannung des ersten Teilstrangs 2 an und an dem Eingang des zweiten DC/DC-Wandlers 6 an der Hochspannungsseite HSS die Spannung des zweiten Teilstranges 3 an. Die beiden DC/DC-Wandler 5, 6 sind dabei als unidirektionale Abwärtswandler (Tiefsetzsteller) ausgebildet. Die Ausgänge der DC/DC-Wandler 5, 6 sind an der Niederspannungsseite NSS miteinander verbunden, d.h. die beiden „+“-Ausgänge und die beiden „-“-Ausgänge sind jeweils miteinander verbunden.
  • Die Batteriezellen B/1-BZn, die DC/DC-Wandler 5, 6 sind gemeinsam mit zwei Schützen 7, 8 in einem Traktionsbatteriemodul 9 angeordnet und bilden eine bauliche Einheit. Über die Schütze 7, 8 kann die durch die Reihenschaltung der Batteriezellen BZ1-BZn gebildete Traktionsbatterie mit einem Traktionsnetz verbunden sein, indem beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator und ein Umrichter angeordnet sind.
  • Zur Versorgung der elektrischen Bordnetzverbraucher 4 wird beispielsweise der DC/DC-Wandler 5 eingeschaltet, wobei die Einspannungsspannung des ersten Teilstrangs 2 auf eine auf die Niederspannungsseite NSS abgestimmte Spannung heruntertransformiert wird, beispielsweise auf 12 V. Mittels einer nicht dargestellten Einrichtung kann dabei die Spannung an den Teilsträngen 2, 3 und/oder an den Batteriezellen BZ1-BZn erfasst werden.
  • Sinkt dann die Spannung am ersten Teilstrang um ein vorgegebenes Maß, so kann dann der erste DC/DC-Wandler 5 abgeschaltet werden und der zweite DC/DC-Wandler 6 eingeschaltet werden. Alternativ zum Wechsel in Abhängigkeit von der Spannungslage kann auch der Wechsel zwischen dem DC/DC-Wandler 5, 6 in einem festen Zeitzyklus erfolgen.
  • Des Weiteren kann eine weitere Einrichtung auf der Niederspannungsseite NSS den Strombedarf ermitteln oder abschätzen. Erfasst diese Einrichtung, dass beispielsweise die Einschaltung eines Hochstromverbrauchers wie beispielsweise eine elektromechanische Lenkung ansteht, so kann ein Signal zum parallelen Einschalten beider DC/DC-Wandler 5, 6 generiert werden, um Spannungseinbrüche zu verhindern.

Claims (7)

  1. Elektrisches Energiesystem (1) in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochspannungsseite (HSS) und eine Niederspannungsseite (NSS), wobei auf der Hochspannungsseite (HSS) mindestens eine Spannungsquelle angeordnet ist und auf der Niederspannungsseite (NSS) elektrische Bordnetzverbraucher (4) angeordnet sind, wobei die Hochspannungsseite (HSS) und die Niederspannungsseite (NSS) über DC/DC-Wandler (5, 6) verbunden sind, wobei die Spannungsquelle aus einer Reihenschaltung von Zellen besteht, wobei die Reihenschaltung in mindestens zwei Teilstränge (2, 3) unterteilt ist, die in Reihe geschaltet sind, wobei parallel zu den Teilsträngen (2, 3) jeweils ein DC/DC-Wandler (5, 6) angeordnet ist, deren Spannungsausgänge auf der Niederspannungsseite (NSS) miteinander verbunden sind, wobei die DC/DC-Wandler (5, 6) zeitlich seriell ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Niederspannungsseite (NSS) eine Einrichtung zur Ermittlung oder Abschätzung des Strombedarfs angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, ein Signal zum parallelen Einschalten der DC/DC-Wandler (5, 6) zu generieren.
  2. Elektrisches Energiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgebildet ist.
  3. Elektrisches Energiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (5, 6) als unidirektionale Abwärtswandler ausgebildet sind.
  4. Elektrisches Energiesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Niederspannungsseite (NSS) ein Glättungskondensator (C) angeordnet ist.
  5. Elektrisches Energiesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen als Batteriezellen (BZ1-BZn) oder Doppelschichtkondensatoren ausgebildet sind.
  6. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Bordnetzverbraucher (4) auf der Niederspannungsseite (NSS) über die DC/DC-Wandler (5, 6) elektrisch versorgt werden, wobei die DC/DC-Wandler (5, 6) seriell oder parallel angesteuert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die DC/DC-Wandler (5, 6) ein Zell-Balancing für die Teilstränge (2, 3) durchgeführt wird.
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