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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, um aus einer Batterie einen mehrphasigen Strom zu gewinnen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, weisen eine Batterie auf, welche eine Serienschaltung vieler einzelner Batteriezellen, also einen Batteriestrang, umfassen kann. Beispielsweise besitzt jede Batteriezelle eine Spannung von 3,5 V und es sind etwa 100 Batteriezellen zu dem Batteriestrang zusammengefasst.
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Die durch die Serienschaltung zur Verfügung gestellte Spannung ist nicht für alle Verbraucher gleichermaßen geeignet. Daher kann zur Anpassung der Spannung an den jeweiligen Verbraucher zwischen Batterie und Verbraucher ein Spannungswandler zwischengeschaltet sein. Im weitesten Sinne kann dieser Spannungswandler auch einen Wechselrichter umfassen.
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Aus der Druckschrift
US 5 986 909 A ist eine mehrphasige Spannungsversorgung mit einer Vielzahl an Zellen pro Phase bekannt. Ausgefallene Zellen in einer Phase werden überbrückt, um einen Strompfad in der jeweiligen Phase zu gewährleisten. Alle nicht ausgefallenen Zellen werden für das Erzeugen der jeweiligen Ausgangsspannung benutzt. Bei den Zellen handelt es sich um Schaltzellen.
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Darüber hinaus ist aus der Druckschrift
US 2011/0044082 A1 ein Spannungswandler bekannt. Auch dieser Spannungswandler weist Schaltzellen auf und wandelt die bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung.
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Ferner offenbart die Druckschrift
US 2012/0091963 A1 eine Bypass-Schaltung für ein Batteriesystem, die parallel verbundene Zellen oder Module von einer Batterieschaltung trennt. Die Trennung erfolgt, wenn eine Zelle ausgefallen ist oder vermutlich ausfallen wird. Die Schaltung kann auch zur Stromsteuerung verwendet werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mehrphasige Spannung unter verbesserter Spannungsausnutzung einer Batterie bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug weist einen Batteriestrang zur Bereitstellung von Energie, welcher eine Serienschaltung von einzelnen Batteriezellen zwischen zwei Anschlüssen aufweist, eine Mehrphasenleitereinrichtung mit mindestens zwei Leitungen, wobei jede Leitung jeweils einer separaten elektrischen Phase zugeordnet ist, eine mit der Anzahl der Batteriezellen korrelierte Anzahl von Koppelvorrichtungen, von denen jede dazu ausgelegt ist, einen Knotenpunkt zwischen zweien der Batteriezellen mit einer der Leitungen zu koppeln oder zu trennen, und eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Koppelvorrichtungen derart anzusteuern, dass in jeder der Leitungen ein Wechselstrom gebildet wird, wobei zwischen jeweils zwei der Wechselströme eine vorgegebene Phasendifferenz besteht, auf.
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In vorteilhafter Weise wird also ein Mehrphasenwechselstrom bzw. eine Mehrphasenwechselspannung aus einem Batteriestrang gewonnen, welcher eine Serienschaltung von einzelnen Batteriezellen aufweist. Mit Koppelvorrichtungen werden Abgriffe an dem Batteriestrang so gesteuert, dass an den Leitungen des Systems die jeweiligen Wechselspannungen mit der dazugehörigen Phasendifferenz vorliegen.
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Vorzugsweise besitzt die Mehrphasenleitereinrichtung drei Leitungen, und die Schaltungsanordnung ist dazu ausgelegt, einen Dreiphasenwechselstrom zu erzeugen. Ein Dreiphasenwechselstrom wird typischerweise für Antriebsmotoren von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen verwendet.
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Zwischen jedem Paar von benachbarten Batteriezellen des Batteriestrangs kann eine einzige Koppelvorrichtung angeordnet sein. Damit ist es möglich, praktisch jede einzelne Batteriezelle individuell zur Spannungsbildung heranzuziehen.
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Des Weiteren kann jede Koppelvorrichtung drei Schaltelemente aufweisen, von denen jedes im geschlossenen Zustand den jeweiligen Knotenpunkt mit einer der drei Leitungen verbindet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass für jede der drei Leitungen die Spannung möglichst feingranular erzeugt werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform weist jede Koppelvorrichtung nur ein einziges Schaltelement auf, das entlang des Batteriestrangs abwechselnd den jeweiligen Knotenpunkt mit einer ersten der drei Leitungen, einer davon verschiedenen zweiten der drei Leitungen oder einer davon verschiedenen dritten der drei Leitungen im geschlossenen Zustand verbindet. Der Knotenpunkt zwischen zwei Batteriezellen ist also nur über die jeweilige Koppelvorrichtung mit einer einzigen der drei Leitungen verbunden. Dies reduziert den Schaltungsaufwand deutlich im Vergleich zu der obigen Variante, wo jede Koppelvorrichtung drei Schaltelemente aufweist.
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Speziell kann jedes der Schaltelemente einen IGBT, eine Kombination aus zwei MOSFETs oder einen Bipolartransistor aufweisen. Derartige Schaltelemente können zuverlässig als Leistungsschalter verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein kann, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein Paar der Koppelvorrichtungen so auszuwählen und anzusteuern, dass sich zwischen zweien der Leitungen eine von dem Zeitpunkt abhängige Spannung einstellt. Die Steuereinrichtung ist damit in der Lage, eine Spannung zwischen zweien der Leitungen einzustellen. Dies bedeutet, dass die Spannungen in den Leitungen relativ zueinander justiert werden. Es ist also weniger relevant, auf welchem absoluten Niveau sich die Spannungen in den Leitungen beispielsweise gegenüber einer Kraftfahrzeugmasse befinden. Vielmehr ist es wie beispielsweise in typischen Drehstromsystemen wichtig, zu jedem Zeitpunkt die jeweiligen Spannungen zwischen den Phasen bzw. Leitungen festzulegen. Damit kann unter anderem auf einen Nullleiter für ein Bezugspotential verzichtet werden.
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Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, aktuelle und/oder historische Zustandsdaten bereitzustellen und diese zum Auswählen des Paars der Koppelvorrichtungen heranzuziehen. Auf diese Weise ist es möglich, zur Bildung einer vorgegebenen oder vorgebbaren Spannung voneinander verschiedene Batteriezellen bzw. Gruppen von Batteriezellen zu verwenden. Wenn also beispielsweise zur Bildung einer vorbestimmten Spannung dreißig Batteriezellen verwendet werden müssen, so können diese dreißig Batteriezellen vom Anfang des Batteriestrangs, der z. B. hundert Batteriezellen umfasst, vom Ende des Batteriestrangs oder aus der Mitte des Batteriestrangs verwendet werden. Wenn beispielsweise die Batteriezellen vom Anfang des Batteriestrangs bereits gealtert sind bzw. stärker belastet waren oder sind, so sollten besser Batteriezellen von einer anderen Stelle des Batteriestrangs, z. B. vom Ende oder von der Mitte, zur Bildung der jeweils gewünschten Spannung herangezogen werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung, wie sie oben beschrieben wurde, bereitgestellt. Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte des Vorgebens der Phasendifferenz und des Ansteuerns der Koppelvorrichtungen derart, dass in jeder der Leitungen ein Wechselstrom gebildet wird, wobei zwischen jeweils zwei der Wechselströme die vorgegebene Phasendifferenz besteht. Es wird also durch das spezifische Ansteuern der Koppelvorrichtungen durch die Spannungen der Batteriezellen ein Mehrphasensystem gebildet, wobei die Phasendifferenzen über das zeitliche Ansteuern der Koppelvorrichtungen gebildet werden.
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Auch das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung genannten Merkmalen weitergebildet werden. Insbesondere kann zu einem vorgebbaren Zeitpunkt ein Paar der Koppelvorrichtungen so ausgewählt und angesteuert werden, dass sich zwischen zweien der Leitungen eine von dem Zeitpunkt abhängige Spannung einstellt. Wie oben in Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung erläutert, werden also die Batteriezellen so an die jeweiligen Leitungen gekoppelt, dass sich zum jeweiligen Zeitpunkt die gewünschte Spannung einstellt. Es wird also mithilfe der Batteriezellen eine relative Spannung zwischen den Leitungen generiert. Die Auswahl des Paars der Koppelvorrichtungen bzw. die Auswahl der zu verwendenden Batteriezellen kann wieder unter Heranziehen von aktuellen und/oder historischen Zustandsdaten erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem ersten Schaltzustand;
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2 den idealisierten Spannungsverlauf eines Dreiphasensystems;
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3 eine Schaltskizze der Schaltungsanordnung von 1 in einem zweiten Schaltzustand; und
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4 eine Schaltskizze einer alternativen Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 1 ist ein Batteriestrang BS dargestellt, wie er beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zu dessen Antrieb verbaut ist. Der Batteriestrang BS umfasst eine Vielzahl an Batteriezellen z1 bis z6, welche in Reihe hintereinander geschaltet sind. Typischerweise werden in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug etwa hundert derartige Batteriezellen hintereinander geschaltet, wobei jede Batteriezelle beispielsweise eine Spannung von 3,5 V liefert. Die in 1 dargestellte Batteriezelle z1 muss nicht die erste Batteriezelle am Anfang des Batteriestrangs BS sein. Vielmehr kann sie sich an einer beliebigen Stelle innerhalb des Strangs befinden.
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Zwischen jeweils zwei benachbarten Batteriezellen befindet sich ein Knotenpunkt p1 bis p6. Es befindet sich also der Knotenpunkt p1 zwischen den Batteriezellen z1 und z2, der Knotenpunkt p2 zwischen den Batteriezellen z2 und z3 usw. Der Knotenpunkt p6 befindet sich zwischen der Batteriezelle z6 und einer daran anschließenden weiteren, in 1 nicht mehr eingezeichneten Batteriezelle. In der Regel wird die Anzahl der Koppelvorrichtungen mit der Anzahl der Batteriezellen derart korreliert sein, dass die Anzahl der Koppelvorrichtungen um eins größer ist als die Anzahl der Batteriezellen.
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Weiterhin sind in 1 drei Leitungen l1, l2 und l3 einer Mehrphasenleitereinrichtung eingezeichnet, in denen die jeweiligen Phasen eines Dreiphasensystems geführt sind. Allgemein handelt es sich hier um ein Mehrphasensystem, sodass eine entsprechende Anzahl an Leitungen vorzusehen ist. Es kann sich also alternativ um ein Zweiphasensystem, Vierphasensystem etc. handeln.
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An dem Knotenpunkt p1 ist eine Kopplungsvorrichtung k1 angeschlossen, die den Knotenpunkt p1 mit den drei Leitungen l1, l2 und l3 verbindet. Die Kopplungsvorrichtung k1 umfasst hier drei Schaltelemente s, über die die Verbindung zwischen dem Knotenpunkt p1 und der jeweiligen Leitung l1, l2 und l3 realisiert werden kann. In dem ersten Schaltzustand, der in 1 dargestellt ist, sind die beiden Schaltelemente s, die den Knotenpunkt p1 mit den Leitungen l2 und l3 verbinden, offen. Das weitere Schaltelement s, das den Knotenpunkt p1 mit der Leitung l1 verbindet, ist geschlossen. Dies bedeutet, dass die Leitung l1 auf dem Potential des Knotenpunkts p1 zwischen den Batteriezellen z1 und z2 liegt.
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Die Schaltelemente s der Koppelvorrichtungen k2 und k3 sind offen. Demzufolge sind die Knotenpunkte p2 und p3 mit keiner der Leitungen l1, l2 und l3 verbunden. Demgegenüber ist eines der Schaltelemente s der Koppelvorrichtung k4 geschlossen, sodass der Knotenpunkt p4 mit der Leitung l2 verbunden ist. Die beiden anderen Schaltelemente s der Koppelvorrichtung k4 sind offen. Demzufolge befindet sich die Leitung l2 auf dem Potential des Knotenpunkts p4 zwischen den Batteriezellen z4 und z5.
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Die Schaltelemente s der Koppelvorrichtung k5 sind offen. Bei der Koppelvorrichtung k6 hingegen ist dasjenige Schaltelement s geschlossen, das den Knotenpunkt p6 mit der Leitung 13 verbindet. Die beiden anderen Schaltelemente s sind offen. Die Leitung l3 befindet sich also auf dem Potential des Knotenpunkts p6.
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Insgesamt bedeutet dies, dass die Spannung zwischen den Leitungen l1 und l2 durch die drei Batteriezellen z2, z3 und z4 bestimmt ist. Liefert eine Batteriezelle beispielsweise die Spannung U, so besteht zwischen den Leitungen l1 und l2 die Spannung 3U. Demnach ergäbe sich zwischen den Leitungen l2 und l3 eine Spannung 2U, die durch die zwei Batteriezellen z5 und z6 entsteht.
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In 2 ist der Spannungsverlauf eines Dreiphasensystems idealisiert dargestellt. Die Spannungen in jeder Phase haben genau sinusförmigen Verlauf. Wenn die Spannungen jedoch durch die Schaltungsanordnung von 1 in Realität erzeugt werden, sind sie stufenförmig. Die Granularität der Stufen verfeinert sich mit steigender Anzahl der Batteriezellen. Die kleinste Spannungsstufe entspricht der Spannung einer einzelnen Zelle.
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Die Schaltelemente s der Koppelvorrichtungen k1 bis k6 etc. werden vorzugsweise durch IGBTs oder Kombinationen von zwei MOSFETs oder gegebenenfalls auch durch geeignete Bipolartransistoren gebildet. Auch andere Schaltelemente können dafür geeignet sein. Die Schaltelemente s werden durch eine der Übersicht halber nicht dargestellte Steuereinrichtung gesteuert, d. h. geöffnet oder geschlossen.
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Wenn nun eine dreiphasige, sinusförmige Wechselspannung gemäß 2 mit der Schaltungsanordnung von 1 erzeugt werden soll, müssen zu jedem Zeitpunkt die jeweils gültigen Spannungsdifferenzen zwischen den Phasen bzw. Leitungen l1, l2 und l3 hergestellt werden. Zu einem Zeitpunkt a sind in 2 die relativen Spannungen zwischen den einzelnen Phasen u1, u2 und u3 grob dargestellt. Demnach ergibt sich zum Zeitpunkt a zwischen der ersten Phase u1 und der zweiten Phase u2 in etwa eine Spannung von 3U und zwischen der zweiten Phase u2 und der dritten Phase u3 eine Spannung von 2U. Um diese Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Phasen zum Zeitpunkt a einzustellen, müsste die Schaltungsanordnung von 1 den dort eingezeichneten ersten Schaltzustand einnehmen. Dabei ist es unerheblich, welche Batteriezellen genau für die jeweilige Spannungsdifferenz sorgen. Die absoluten Spannungen in den drei Leitungen l1, l2 und l3 sind nämlich unerheblich. Die gleichen Spannungsdifferenzen, die hier mit Kurzschließen der Leitungen l1, l2 und l3 an die Knotenpunkte p1, p4 und p6 erreicht werden, können beispielsweise auch durch Kurzschließen an Knotenpunkte p4, p7 und p9 bzw. Knotenpunkte p11, p14 und p16 erreicht werden, die sich bei Fortsetzung des Batteriestrangs BS von 1 ergeben.
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Zu einem Zeitpunkt b sind die Phasen (kurz für Phasenspannungen) u2 und u3 in 2 gleich. Zwischen beiden Phasen besteht also keine Spannungsdifferenz, weshalb zu diesem Zeitpunkt die Steuereinrichtung die Koppelvorrichtungen so steuern sollte, dass die beiden Leitungen l2 und l3 an dem gleichen Knotenpunkt, z. B. p1, anliegen (vgl. 3). Die Koppelvorrichtung k1 koppelt hierzu in der in 3 dargestellten zweiten Schaltstellung den Knotenpunkt p1 an die beiden Leitungen l2 und l3.
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Die Spannungsdifferenz zwischen einer der Phasen u2 und u3 und der Phase u1 zum Zeitpunkt b beträgt idealerweise 4,5U. Da mit der Schaltungsanordnung von 3, die derjenigen von 1 entspricht, nur ganzzahlige Spannungswerte mit einem Vielfachen von U erreicht werden können, muss der Wert 4,5U durch 4U oder 5U angenähert werden. In dem Beispiel von 3 wurde der Wert 5U gewählt, weshalb die Leitung l1 der Phase u1 mittels der Koppelvorrichtung k6 mit dem Knotenpunkt p6 kurzgeschlossen ist. Die beiden anderen Schaltelemente der Koppelvorrichtung k6 sind offen. Demzufolge liegen die Leitungen l2 und l3 auf dem Potential des Knotenpunkts p1 und die Leitung l1 auf dem Potential des Knotenpunkts p6. Die Differenz zwischen den Knotenpunkten p1 und p6 beträgt hier 5U, also die Spannung, die hier von fünf Batteriezellen z2 bis z6 erzeugt wird. Auch hier kommt es nur auf die relativen Spannungen an, was bedeutet, dass das gleiche Ergebnis auch dann erhalten wird, wenn beispielsweise die Leitungen l2 und l3 an einen Knotenpunkt p21 und die Leitung l1 an einen Knotenpunkt p26 angeschlossen wäre.
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Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, dass es in einem Mehrphasensystem irrelevant ist, auf welchem Potential sich die verschiedenen Klemmen befinden, solange die Spannung zwischen ihnen immer die gewünschte Amplitude und Polarität besitzt. Wenn also beispielsweise in einem Verbund von zehn Zellen mit je 3,5 V bei einem ersten Abgriff zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle sowie bei einem zweiten Abgriff zwischen der vierten und fünften Batteriezelle abgegriffen wird, lässt sich zwischen dem ersten Abgriff und dem zweiten Abgriff eine Spannung von 3 × 3,5 V = 10,5 V messen. Werden die Abgriffe vertauscht, sodass der zweite Abgriff zwischen der ersten und zweiten Zelle und der erste Abgriff zwischen der vierten und fünften Zelle liegt, ist die Spannung zwischen dem zweiten und ersten Abgriff negativ und liegt bei –10,5 V. Es ist also nicht erforderlich, einen fixen Nullpunkt zu definieren und diesen als Referenz für eine echte negative Spannung zu verwenden. Damit kann in einfachen seriellen Zellverbänden durch geeignete Wahl der Abgriffe ein System mit echter Mehrphasenspannung aufgebaut werden.
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Wenn – wie in dem Beispiel von 2 – zwischen den Zeitpunkten a und b die Polarität aller drei Phasenspannungen gewechselt werden soll, kann dies in der Schaltungsanordnung durch einen bloßen Wechsel der Position der Abgriffe relativ zueinander erreicht werden. Es ist keine Schaltung zum Herstellen des Polaritätswechsels erforderlich.
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Als weiterer Vorteil zeigt sich, dass in einer solchen Schaltung die maximale Spannung zwischen zwei Phasen/Kontaktpolen exakt gleich der maximal verfügbaren Batteriespannung, gebildet aus der Zellspannung multipliziert mit der Zellzahl, ist: Integrierter Mehrphasenabgriff: Û = nz·Uz
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Im Gegensatz dazu läge bei einer Dreiphasenverschaltung auf SCT-Basis (single cell topology) gemäß
US 2012/0091963 A1 die maximale Spannung zwischen zwei Phasen/Kontaktpolen bei nur etwas mehr als der Hälfte der Summe aller verbauten Zellen, da die Zellen dediziert auf drei Phasen verteilt werden und immer nur eine der Phasen im Maximum liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Konzept kann also eine bessere Spannungsausnutzung gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.
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Eine Verbesserung hinsichtlich der Schaltungskomplexität ergibt sich mit einem Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß 4. Der Batteriestrang BS ist mit seinen Batteriezellen z1 bis z6 etc. und den dazwischen liegenden Knotenpunkten p1 bis p6 etc. genauso aufgebaut wie derjenige in den Beispielen der 1 und 3. Auch die Leitungen l1 bis l3 sind identisch. Lediglich die Kopplungsvorrichtungen k0' bis k6' sind anders aufgebaut und weisen jeweils lediglich ein einziges Schaltelement s auf. Damit sind zwischen den Zellen z1 bis z6 usw. nicht mehr Abgriffe für jede Phase angeordnet, sondern jeweils nur ein einziger Abgriff, welcher fest, aber mit alternierender Reihenfolge mit den unterschiedlichen Phasen bzw. Leitungen l1 bis l3 verbunden ist.
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Eine derartige Anordnung senkt die Anzahl der Schalter auf ein reduziertes Maß, ohne die grundsätzliche Funktionalität einzuschränken. Einzig die Granularität, in der die Spannungen eingestellt werden können, wird etwas verschlechtert.
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Beide oben vorgeschlagenen Systeme sind in der Lage, durch eine geeignete Ansteuerung einzelne Zellen mehr oder weniger stark zu belasten und somit inhomogene Kapazitätsverteilungen oder Alterungen der einzelnen Zellen zu berücksichtigen. Dazu wird die jeweilige Zelle bei Teillastbetrieb (wenn also nicht die volle Anzahl der Zellen benötigt wird) weniger oft aktiviert als andere Zellen. Dazu überwacht die Steuereinrichtung oder gegebenenfalls eine andere Einheit aktuelle und/oder historische Zustandsdaten der Batteriezellen wie etwa Ladezustand, Zellspannung oder Temperatur der jeweiligen Batteriezelle. Auf diese Weise wird eine höhere Betriebssicherheit erreicht. Die Verfügbarkeit des Energiespeichers kann somit durch redundante Auslegung gesteigert werden.
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Bezugszeichenliste
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- BS
- Batteriestrang
- a
- Zeitpunkt
- b
- Zeitpunkt
- k1 bis k6
- Koppelvorrichtungen
- k0' bis k6'
- Koppelvorrichtungen
- l1, l2, l3
- Leitungen
- p1 bis p6
- Knotenpunkte
- s
- Schaltelemente
- U
- Spannung
- u1, u2, u3
- Phasen
- z1 bis z6
- Batteriezellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5986909 A [0004]
- US 2011/0044082 A1 [0005]
- US 2012/0091963 A1 [0006, 0041]
