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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem und ein Betriebsverfahren für ein Hochvoltsystem mit einer entsprechenden Wandlervorrichtung.
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Die
US 2009/0167077 A1 beschreibt eine Energieversorgungseinrichtung, welche an oder in einem Kraftfahrzeug montiert werden kann, mit einem Batteriemodul, einem Energiespeichergehäuse zur Aufnahme des Batteriemoduls und einem DC/DC-Wandlermodul. Die dort beschriebene Energieversorgungseinrichtung kann dabei drei oder mehr Spannungswerte als elektrische Versorgungspannungen zur Verfügung stellen.
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Die
US 2008/0072859 A1 beschreibt eine Batterievorrichtung, die mehrere Batteriemodule umfasst, wobei jedes der mehreren Batteriemodule eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Batteriezellen aufweist.
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Die dort beschriebene Batterievorrichtung weist ferner mehrere Spannungsausgleichsschaltungen auf, die den mehreren Batteriemodulen entsprechend zugeordnet sind und die dazu konfiguriert sind, jeweils Spannungen der Vielzahl von Zellen auszugleichen, die von jedem der mehreren Batteriemodule umfasst sind. Ferner umfasst die dort beschriebene Batterievorrichtung eine Verbindungsumschaltstruktur, die dazu konfiguriert ist, einen Verbindungszustand der mehreren Batteriemodule zwischen einer Reihenverbindung und einer parallelen Verbindung umzuschalten.
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Ferner umfasst die dort beschriebene Batterievorrichtung ein Spannungsausgleichssteuermodul, das konfiguriert ist, um auf eine Erfüllung einer vorbestimmten Spannungsausgleichsbedingung hin die mehreren Spannungsausgleichsschaltungen zu steuern, um jeweils Spannungen der Vielzahl von Zellen, die von jedem der mehreren Batteriemodule umfasst sind, in dem Zustand einer Reihenverbindung der mehreren Batteriemodule auszugleichen.
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Bei der dort beschriebenen Batterievorrichtung ist ferner das Spannungsausgleichssteuermodul konfiguriert, um auf eine Erfüllung einer vorbestimmten Spannungsausgleichsbedingung hin die Verbindungsumschaltstruktur zu steuern.
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Ferner ist das Spannungsausgleichssteuermodul konfiguriert, um auf eine Beendigung des Spannungsausgleichs der jeweiligen Zellen in jedem der mehreren Batteriemodule hin die Verbindungsumschaltstruktur und die mehreren Spannungsausgleichsschaltungen zu steuern, um die mehreren Batteriemodule parallel zu verbinden, und Spannungen der jeweiligen Batteriemodule auszugleichen.
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Die
US 2007/0202792 A1 offenbart eine Stromquelle für Kraftfahrzeuge mit einem Batteriegehäuse und einer Vielzahl von aufladbaren Batteriezellen und einer Vielzahl von Luftkanälen zum Kühlen der Batteriezellen. Die dort beschriebene Stromquelle umfasst eine Vielzahl von Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen. Die Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen sind in einer von der Richtung der Luftkanäle abweichenden Richtung ausgebildet.
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Die
US 2007/0046259 A1 beschreibt eine Batterieanordnung, welche mittels einer Luftkühlung mit drei oder mehr Ebenen gekühlt wird. Die Batterieanordnung umfasst ein Paar gegenüberliegender Seitenwände, welche eine geschlossene Kammer für die Batterieanordnung bilden.
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DE 10 2009 035 468 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Speicherung und/oder Erzeugung von elektrischer Energie. Die dort beschriebene Vorrichtung weist wenigstens zwei Module auf, welche elektrisch miteinander gekoppelt sind. Dabei weisen die wenigstens zwei Module unterschiedliche Funktionalitäten auf. Ein erstes Modul ist als elektrochemisches Modul ausgebildet. Als elektrisches Energiespeichermodul ist das elektrochemische Modul auf eine hohe Leistungs- und Energiedichte ausgelegt. Das zweite Modul ist als Traktionsmodul auf eine hohe Leistungsdichte ausgelegt.
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Die vorstehend genannten Lösungen weisen jedoch das Problem auf, dass falls zwei oder mehr Module zur Erzeugung einer Nominalspannung einer Hochvoltbatterie vorgesehen sind, für eine Kapazitätssteigerung der Hochvoltbatterie immer zwei oder mehr Module oder Vielfache davon notwendig sind, um eine Kapazitätssteigerung der Hochvoltbatterie mit der geforderten Nominalausgangsspannung zu erreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Wandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem nach Patentanspruch 1 und durch ein Betriebsverfahren für ein Hochvoltsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Wandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem mit einer ersten Eingangseinrichtung, die mit einer ersten Spannungsdomäne des Hochvoltsystems gekoppelt ist, mit einer zweiten Eingangseinrichtung, die mit einer zweiten Spannungsdomäne des Hochvoltsystems gekoppelt ist, und mit einem Gleichspannungswandler, der mit der ersten Eingangseinrichtung und der zweiten Eingangseinrichtung gekoppelt ist und der dazu ausgebildet ist, elektrische Leistung von der ersten Spannungsdomäne und von der zweiten Spannungsdomäne zu einer Ausgangseinrichtung der Wandlervorrichtung zu übertragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Hochvoltsystem mit einer entsprechenden Wandlervorrichtung, umfassend die folgenden Verfahrensschritten: Koppeln der ersten Eingangseinrichtung der Wandlervorrichtung mit der ersten Spannungsdomäne des Hochvoltsystems, Koppeln der zweiten Eingangseinrichtung der Wandlervorrichtung mit der zweiten Spannungsdomäne des Hochvoltsystems und Übertragen von elektrischer Leistung von der ersten Spannungsdomäne und von der zweiten Spannungsdomäne zu einer Ausgangseinrichtung der Wandlervorrichtung unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler, d.h. einen DC/DC-Wandler, englische Bezeichnung “direct current“ mit dem Kürzel DC, zu verwenden, welcher mit einer ersten Nominalspannung einer ersten Spannungsdomäne und einer davon abweichenden zweiten Nominalspannung einer zweiten Spannungsdomäne versorgt wird.
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Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung ist die Bereitstellung einer Hochvoltbatterie mit einer ungeraden Anzahl von Batteriezellenmodulen ermöglicht, insbesondere ist dadurch die Bereitstellung einer Hochvoltbatterie mit drei Batteriezellenmodulen ermöglicht.
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Vorteilhaft erlaubt die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung, eine separate Steuerung der ersten und der zweiten Spannungsdomäne der Hochvoltbatterie. Ferner wird eine Verbesserung des Alterungsverhaltens von in dem Hochvoltsystem bzw. der Hochvoltbatterie eingesetzten Batteriezellen ermöglicht.
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Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung eine angepasste und stufenweise Erhöhung der Reichweite des Kraftfahrzeuges in kleinen Schritten, da eine gerade oder ungerade Anzahl an Batteriezellenmodulen oder auch halbe Batteriezellenmodule zweckmäßig hinzugefügt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein erster Nominalspannungswert der ersten Spannungsdomäne in der Höhe eines ganz- oder rationalzahligen Vielfachen eines zweiten Nominalspannungswertes der zweiten Spannungsdomäne vorgesehen. Somit kann der Gleichspannungswandler mit der ersten Nominalspannung von beispielsweise 390 V aus zwei Batteriezellenmodulen, und mit der halben, zweiten Nominalspannung von 195 V aus einem Batteriezellenmodul betrieben werden.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die erste Spannungsdomäne eine erste Anzahl an Batteriezellenmodulen aufweist und die zweite Spannungsdomäne eine zweite Anzahl an Batteriezellenmodulen aufweist. Durch die Wandlung der sich dadurch ergebenden unterschiedlichen Nominalspannungen der beiden Spannungsdomänen ist ein Aufbau eines Hochvoltsystems auch mit einer ungeraden Anzahl an Batteriezellenmodulen ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Anzahl an Batteriezellenmodulen in der Höhe eines ganz- oder rationalzahligen Vielfachen der zweiten Anzahl an Batteriezellenmodulen vorgesehen ist. Die Verschaltung der Batteriezellenmodule kann dadurch innerhalb der beiden Spannungsdomänen auf unterschiedliche Art erfolgen.
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Vorzugsweise weist der Gleichspannungswandler einen Sensor zur Erfassung der Nominalspannungswerte der ersten Spannungsdomäne und der zweiten Spannungsdomäne auf. Dies bewirkt eine sichere Versorgung des Hochvoltsystems des Kraftfahrzeuges.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezellenmodule der ersten Spannungsdomäne und/oder der zweiten Spannungsdomäne in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann eine im Vergleich zur Nominalspannung der der ersten Spannungsdomäne und/oder der zweiten Spannungsdomäne erhöhte Nominalspannung an der Ausgangseinrichtung und damit für das Hochvoltsystem erreicht werden.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Batteriezellenmodule der ersten Spannungsdomäne und/oder der zweiten Spannungsdomäne parallel geschaltet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, als einen Nominalspannungswert der Ausgangseinrichtung ein ganz- oder rationalzahliges Vielfaches des Nominalspannungswertes der ersten Spannungsdomäne und/oder der zweiten Spannungsdomäne vorzusehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als ein erster Nominalspannungswert der ersten Spannungsdomäne ein ganz- oder rationalzahliges Vielfaches eines zweiten Nominalspannungswertes der zweiten Spannungsdomäne verwendet.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem; und
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2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für ein Hochvoltsystem mit einer Wandlervorrichtung.
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In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung bezeichnet eine Spannungsdomäne einen Spannungsbereich. Ebenso kann mit dem Ausdruck Spannungsdomäne ein bestimmter Teilbereich eines elektrisches Systems oder eines Hochvoltsystems gemeint sein, wobei innerhalb dieses bestimmten Teilbereiches ein bestimmter Spannungsbereich des elektrischen Systems bzw. des Hochvoltsystems vorherrschend ist.
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Hochvoltsysteme für Kraftfahrzeuge weisen elektrische Energiespeicher oder Hochvoltbatterien auf, bei denen eine Modularisierung des elektrischen Energiespeichers oder der Hochvoltbatterie in einzelne Batteriezellenmodule vorgesehen sein kann.
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Ein Batteriezellenmodul des elektrischen Energiespeichers umfasst dabei eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen in einer gemeinsamen Einheit, die beispielsweise als ein mechanischer Verbund in Form eines Batteriezellenmoduls ausgebildet ist.
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Die Batteriezelle ist dabei beispielsweise eine einzelne galvanische Zelle, die je nach Kombination der Materialien der Elektroden der galvanischen Zelle eine charakteristische Spannung liefert.
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Eine Wandlervorrichtung 20 für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem 5 weist eine erste Eingangseinrichtung 21, eine zweite Eingangseinrichtung 22, einen Gleichspannungswandler 28 und eine Ausgangseinrichtung 25 auf.
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Die erste Eingangseinrichtung 21 ist mit einer ersten Spannungsdomäne 15 des Hochvoltsystems 5 gekoppelt. Die erste Spannungsdomäne 15 ist beispielsweise durch eine Nominalspannung eines an die Wandlervorrichtung 20 angeschlossenen Batteriezellenmoduls definiert.
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Die zweite Eingangseinrichtung 22 ist mit einer zweiten Spannungsdomäne 16 des Hochvoltsystems 5 gekoppelt. Die zweite Spannungsdomäne 16 ist beispielsweise durch eine Nominalspannung eines weiteren an die Wandlervorrichtung 20 angeschlossenen Batteriezellenmoduls definiert.
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Der Gleichspannungswandler 28 ist mit der ersten Eingangseinrichtung 21, der zweiten Eingangseinrichtung 22 und der Ausgangseinrichtung 25 gekoppelt.
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Der Gleichspannungswandler 28 ist beispielsweise dazu ausgebildet, elektrische Leistung von der ersten Spannungsdomäne 15 und der zweiten Spannungsdomäne 16 zu der Ausgangseinrichtung 25 der Wandlervorrichtung 20 zu übertragen.
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Dabei kann der Gleichspannungswandler 28 für eine Parallelschaltung der ersten Spannungsdomäne 15 und der zweiten Spannungsdomäne 16 ausgebildet sein.
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Ferner kann der Gleichspannungswandler 28 die erste Spannungsdomäne 15 und die zweite Spannungsdomäne 16 durch eine Serienschaltung koppeln.
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Beispielsweise ist ein erster Nominalspannungswert der ersten Spannungsdomäne 15 in der Höhe eines ganz- oder rationalzahligen Vielfachen eines zweiten Nominalspannungswertes der zweiten Spannungsdomäne 16 vorgesehen.
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Die erste Spannungsdomäne 15 kann beispielsweise ein Batteriezellenmodul 12 aufweisen und die zweite Spannungsdomäne 16 kann zwei Batteriezellenmodule 10, 11 aufweisen.
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Die Ausgangseinrichtung 25 ist beispielsweise mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeuges verbunden. Dabei kann das Bordnetz des Kraftfahrzeuges über die Wandlervorrichtung 20 mit elektrischer Energie versorgt werden, um elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Die 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für ein Hochvolt-system mit einer Wandlervorrichtung.
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Das Betriebsverfahren für ein Hochvoltsystem mit der Wandlervorrichtung 20 umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
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Als ein erster Verfahrensschritt erfolgt ein Koppeln S1 der ersten Eingangseinrichtung 21 der Wandlervorrichtung 20 mit der ersten Spannungsdomäne 15 des Hochvoltsystems 5.
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Als ein zweiter Verfahrensschritt erfolgt ein Koppeln S2 der zweiten Eingangseinrichtung 22 der Wandlervorrichtung 20 mit der zweiten Spannungsdomäne 16 des Hochvoltsystems 5.
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Als ein dritter Verfahrensschritt erfolgt ein Übertragen S3 von elektrischer Leistung von der ersten Spannungsdomäne 15 und von der zweiten Spannungsdomäne 16 zu einer Ausgangseinrichtung 25 der Wandlervorrichtung 2 unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers 28.
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Es sei erwähnt, dass das die in 2 gezeigten Verfahrensschritte in beliebiger Weise, beispielsweise rekursiv oder iterativ, wiederholt werden können.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0167077 A1 [0002]
- US 2008/0072859 A1 [0003]
- US 2007/0202792 A1 [0008]
- US 2007/0046259 A1 [0009]
- DE 102009035468 A1 [0010]
