DE102014201440A1 - Motor vehicle electrical system with optimized switching function - Google Patents
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Abstract
Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler (9), einer Traktionsbatterie (8) und einem Traktionsnetz (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (9) einen ersten Betriebszustand (30) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand (31) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet.Vehicle electrical system with a voltage converter (9), a traction battery (8) and a traction network (7), characterized in that the voltage converter (9) has a first operating state (30), in which the voltage converter (9) operates as buck converter and an electric Voltage (Ubatt) of the traction battery (8) to a voltage (U1) of the traction network (7) lowers, and a second operating state (31), in which the voltage converter (9) operates as a through switch and the electrical voltage (Ubatt) of the traction battery (8) without subscripts to the traction network (7) through.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler, einer Traktionsbatterie und einem Traktionsnetz, sowie ein Verfahren, das in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit solch einem Spannungswandler angewendet wird. The invention relates to a vehicle electrical system with a voltage converter, a traction battery and a traction network, and a method that is used in a motor vehicle electrical system with such a voltage converter.
Eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug beinhaltet eine große Anzahl von Batteriezellen, die üblicher Weise in Modulen angeordnet sind, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Reichweite zu erfüllen. Einzelne Batteriezellen bzw. Batteriemodule werden elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich die elektrischen Spannungen der Batteriezellen bzw. Batteriemodule summieren. A traction battery for a motor vehicle, in particular for an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a fuel cell vehicle includes a large number of battery cells, which are usually arranged in modules to meet the vehicle's performance and range requirements. Individual battery cells or battery modules are electrically connected in series, so that the electrical voltages of the battery cells or battery modules add up.
Die Reichweite von elektrischen Fahrzeugen kann vergrößert werden, indem mehr gespeicherte elektrische Energie im Fahrzeug mitgeführt wird. Der Energieinhalt einer Traktionsbatterie hängt von deren elektrischen Kapazität und elektrischer Spannung ab. Eine Reichweitenerhöhung kann entweder durch Erhöhung der elektrischen Kapazität der Traktionsbatterie, oder durch Erhöhung der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie erfolgen. Einer Reihenschaltung von Batteriezellen bzw. Batteriemodulen sind durch die Beschränkungen der Leistungselektronik jedoch Grenzen gesetzt. Derzeit liegt beispielsweise bei der Fahrzeug-Hochvoltinfrastruktur für Traktionsantriebe die Spannungsgrenze bei ca. 400–450 V. Die elektrische Spannung kann also nicht beliebig erhöht werden, da alle Bauteile im Traktionsnetz eine höchste zulässige Spannungsobergrenze haben. The range of electric vehicles can be increased by carrying more stored electrical energy in the vehicle. The energy content of a traction battery depends on its electrical capacity and electrical voltage. An increase in range can be done either by increasing the electrical capacity of the traction battery, or by increasing the voltage of the traction battery. A series connection of battery cells or battery modules, however, are limited by the limitations of power electronics. Currently, for example, in the vehicle high-voltage infrastructure for traction drives, the voltage limit is approximately 400-450 V. The electrical voltage can not be increased arbitrarily, since all components in the traction network have a maximum permissible upper voltage limit.
Üblicher Weise werden alle Komponenten, die vom Traktionsnetz versorgt werden, so ausgelegt, dass die maximale Spannung an der Traktionsbatterie unterhalb der Spannungsobergrenze der Komponenten liegt. Somit können die Ausgänge der Traktionsbatterie direkt mit dem Traktionsnetz verbunden werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Spannung am Traktionsnetz bei normalem Betrieb im mittleren Bereich des Ladezustandes weit unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz liegt. Typically, all components powered by the traction network are designed so that the maximum voltage on the traction battery is below the upper voltage limit of the components. Thus, the outputs of the traction battery can be connected directly to the traction network. However, this has the disadvantage that the voltage at the traction network in normal operation in the middle range of the state of charge is far below the maximum allowable operating voltage of the components on the traction network.
Es ist auch bekannt, die Reichweite eines Kraftfahrzeugs zu erhöhen, indem mehrere Batteriemodulstränge innerhalb einer Traktionsbatterie parallel verschalten werden und somit die elektrische Kapazität der Traktionsbatterie vergrößert wird. Dies erhöht zwar die Reichweite des Kraftfahrzeugs, aber der Nachteil der sich stark veränderten Spannung an der Traktionsbatterie bleibt erhalten. Auch bei dieser Lösung liegt die Spannung am Traktionsnetz bei normalem Betrieb im mittleren Bereich des Ladezustandes weit unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz. It is also known to increase the range of a motor vehicle by connecting several battery module strings in parallel within a traction battery and thus increasing the electrical capacity of the traction battery. Although this increases the range of the motor vehicle, but the disadvantage of the greatly changed voltage to the traction battery is maintained. Even with this solution, the voltage at the traction network in normal operation in the middle of the state of charge is far below the maximum allowable operating voltage of the components on the traction network.
Aus der europäischen Patentschrift
Die deutsche Offenlegungsschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeugbordnetz so zu verbessern, dass die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden. Object of the present invention is to improve a motor vehicle electrical system so that the above-mentioned disadvantages are at least partially overcome.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by the motor vehicle electrical system according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the subclaims and the following description of preferred embodiments of the present invention.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbordnetz weist einen Spannungswandler, eine Traktionsbatterie und ein Traktionsnetz auf. Bei dem Kraftfahrzeugbordnetz kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeugbordnetz für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug handeln. A motor vehicle electrical system according to the invention has a voltage converter, a traction battery and a traction network. The motor vehicle electrical system can be, for example, a motor vehicle electrical system for an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a fuel cell vehicle.
Der Spannungswandler weist einen ersten Betriebszustand auf, in dem er als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannung des Traktionsnetzes tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem er als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. The voltage converter has a first operating state in which it acts as a buck converter and lowers an electric voltage of the traction battery to a voltage of the traction network, and a second operating state in which it operates as a through-switch and the electric voltage of the traction battery without down setting to the traction network.
Die Spannung einer Traktionsbatterie ist über ihren Ladezustand nicht konstant, sondern sinkt mit sinkendem Ladezustand ab. Obgleich die Spannung einer vollständig geladenen Traktionsbatterie zu hoch für die Bauteile am Traktionsnetz sein kann, muss dies nicht gleichzeitig bedeuten, dass sie dies auch bei geringerem Ladezustand ist. Der Spannungswandler kann also so eingerichtet sein, dass er nur bei vollgeladener Batterie die Spannung am Traktionsnetz verkleinert und ab einem bestimmten Ladezustand die Spannung der Traktionsbatterie auf das Traktionsnetz durchschaltet. The voltage of a traction battery is not constant over its state of charge, but decreases with decreasing state of charge. Although the The voltage of a fully charged traction battery may be too high for the components on the traction network, this does not necessarily mean that it is also at a lower charge state. The voltage converter can thus be set up so that it reduces the voltage at the traction network only when the battery is fully charged and switches the voltage of the traction battery on the traction network from a certain state of charge.
Der Spannungswandler kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass er im ersten Betriebszustand die Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt. For example, the voltage converter can be designed such that in the first operating state it lowers the voltage of the traction battery to a voltage upper limit of the traction network.
Der Betriebszustand für das Durchschalten kann auf die Funktion des Durchschaltens hin optimiert werden, so dass Verluste bei Durchschalten reduziert werden. The operational state for the through-connection can be optimized for the function of the through-connection, so that losses during switching-through are reduced.
Bei Plugin-Hybridfahrzeugen, d.h. bei Hybrid-Fahrzeugen, bei denen es möglich ist, die Traktionsbatterie extern zu laden, setzt der hybridische Betrieb in der Regel erst dann ein, wenn die Traktionsbatterie auf einen niedrigen Ladezustand entladen ist. Bei hybridischem Betrieb muss der Spannungswandler bei diesem beispielhaften Einsatz in einem Plugin-Hybridfahrzeug also nicht im ersten Betriebsmodus als Tiefsetzsteller arbeiten, sondern braucht nur durchzuschalten. Der Spannungswandler kann also in diesem beispielhaften Fall im hybridischen Betrieb im Wesentlichen im zweiten Betriebsmodus als Durchschalter arbeiten. For plug-in hybrid vehicles, i. For hybrid vehicles, where it is possible to charge the traction battery externally, the hybrid operation usually starts when the traction battery is discharged to a low state of charge. In hybrid operation, the voltage converter in this exemplary use in a plug-in hybrid vehicle therefore does not have to work as a step-down converter in the first operating mode, but only needs to switch through. The voltage converter can therefore operate in this exemplary case in hybrid operation essentially in the second operating mode as a through switch.
Der Spannungswandler weist gemäß eines Ausführungsbeispiels einen Schalter auf, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet, und dem zweiten Betriebszustand, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet, ermöglicht. According to one exemplary embodiment, the voltage converter has a switch which makes it possible to switch between the first operating state in which the voltage converter works as a buck converter and the second operating state in which the voltage converter works as a through-connection.
Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann beispielsweise als Relais, insbesondere als Schütz ausgebildet sein. The switch, which allows switching between the first operating state and the second operating state of the voltage converter, can be designed, for example, as a relay, in particular as a contactor.
Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann aber auch als Halbleiterschalter, beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet werden. The switch, which allows switching between the first operating state and the second operating state of the voltage converter, but can also be designed as a semiconductor switch, for example as a MOSFET or IGBT.
Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann in einer weiteren Ausführungsform funktional in Transistoren des Spannungswandlers realisiert sein, welche auch die Funktion der Spannungswandlung übernehmen. The switch, which allows switching between the first operating state and the second operating state of the voltage converter, can be realized in a further embodiment functionally in transistors of the voltage converter, which also take over the function of voltage conversion.
So kann der oben beschriebene Spannungswandler ein optimiertes Durchschalten der Eingangsspannung ermöglichen. Thus, the voltage converter described above can enable an optimized switching of the input voltage.
Ein beispielhaftes Kraftfahrzeugbordnetz weist eine Traktionsbatterie, ein Traktionsnetz und einen zwischen die Traktionsbatterie und das Traktionsnetz gekoppelten Spannungswandler auf, wie er oben beschrieben ist. Der Spannungswandler kann beispielsweise eingangsseitig direkt mit den Polen einer Traktionsbatterie verbunden werden. Ausgangsseitig kann der Spannungswandler direkt ein Traktionsnetz mit seinen Verbrauchern speisen. An exemplary automotive electrical system includes a traction battery, a traction network, and a voltage converter coupled between the traction battery and the traction network, as described above. For example, the voltage converter can be connected directly to the poles of a traction battery on the input side. On the output side, the voltage converter can directly feed a traction network with its consumers.
Die Traktionsbatterie kann vorteilhafter Weise bei hohen Werten des Ladezustands eine elektrische Spannung aufweisen, die höher ist als die Grenzspannung des Traktionsnetzes. So kann in dem Kraftfahrzeugbordnetz eine Traktionsbatterie verwendet werden, die eine Spannung im vollgeladenen Zustand, aufweist, die über die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes liegt. Dadurch wird es ermöglicht, die maximale Spannung an der Traktionsbatterie so auszulegen, dass diese oberhalb der maximalen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz liegt. The traction battery may advantageously have at high values of the state of charge, an electrical voltage which is higher than the threshold voltage of the traction network. Thus, in the vehicle electrical system, a traction battery can be used, which has a voltage in the fully charged state, which is above the voltage upper limit of the traction network. This makes it possible to design the maximum voltage on the traction battery so that it lies above the maximum operating voltage of the components on the traction network.
Das Traktionsnetz kann eine Leistungselektronik (z.B. einen Umrichter) umfassen, die elektrische Energie aus dem Traktionsnetz für den Betrieb einer elektrischen Maschine umsetzt. The traction network may include power electronics (e.g., an inverter) that converts electrical energy from the traction network to operate an electric machine.
Mit dem Traktionsnetz kann ferner ein Niedervoltbordnetz über einen weiteren Spannungswandler gekoppelt sein, der zwischen das Traktionsnetz und das Niedervoltbordnetz gekoppelt ist, die elektrische Spannung des Traktionsnetzes auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes herabsetzt und elektrische Energie aus dem Traktionsnetz dem Niedervoltbordnetz zuführt. Bei dem Niedervoltbordnetz kann es sich beispielsweise um ein konventionelles 12V-Bordnetz handeln. Furthermore, a low-voltage on-board electrical system can be coupled to the traction network via a further voltage converter which is coupled between the traction network and the low-voltage electrical system, reduces the electrical voltage of the traction network to the voltage level of the low-voltage network and supplies electrical energy from the traction network to the low-voltage vehicle electrical system. The low-voltage on-board electrical system can be, for example, a conventional 12V vehicle electrical system.
Das Traktionsnetz kann ferner weitere Verbraucher umfassen, die mit dem Traktionsnetz gekoppelt sind, beispielsweise einen Klimakompressor oder eine Heizung. The traction network may further include other consumers coupled to the traction network, such as an air conditioning compressor or a heater.
Im Falle eines Elektrofahrzeuges oder eines Plugin-Hybrids kann die Traktionsbatterie auch mittels eines externen Ladegeräts mit elektrischer Energie geladen werden. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße Spannungswandler dazu dienen, die Spannung des Ladegeräts auf die Spannung der Traktionsbatterie hochzusetzen. In the case of an electric vehicle or a plug-in hybrid, the traction battery can also be charged by means of an external charger with electrical energy. In this case, the voltage converter according to the invention can serve to raise the voltage of the charger to the voltage of the traction battery.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Traktionsbatterie, einem Traktionsnetz und einem wie oben beschriebenen Spannungswandler, der zwischen die Traktionsbatterie und das Traktionsnetz gekoppelt ist, umfasst: Ein Ermitteln der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie, ein Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass dieser in einen ersten Betriebszustand versetzt wird, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannungsgrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt, falls die elektrische Spannung der Traktionsbatterie über der Spannungsgrenze des Traktionsnetzes liegt, und ein Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass dieser in einen zweiten Betriebszustand versetzt wird, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet, falls die elektrische Spannung der Traktionsbatterie kleiner oder gleich ist der Spannungsgrenze des Traktionsnetzes. Das Verfahren kann von einer Steuerung ausgeführt werden. Der Spannungswandler kann entsprechende Steuersignale beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem, oder einer anderen Steuerzentrale wie beispielsweise einer Motorsteuerung erhalten. A method of operating a vehicle electrical system having a traction battery, a traction network, and a voltage converter coupled between the traction battery and the traction network comprises: detecting the traction battery electrical voltage, driving the voltage converter to a first Operating state is offset, in which the voltage converter operates as a buck converter and deepens a voltage of the traction battery to a voltage limit of the traction network, if the voltage of the traction battery is above the voltage limit of the traction network, and driving the voltage converter such that this in a second operating state is offset, in which the voltage converter operates as a through switch and the electrical voltage of the traction battery without subscrit to the traction network turns on, if the voltage of the traction battery is smaller o which is equal to the voltage limit of the traction network. The method can be executed by a controller. The voltage converter may receive corresponding control signals from, for example, a battery management system, or other control center such as a motor controller.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen: Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs, in dem der erfindungsgemäße Spannungswandler eingesetzt werden kann, ist schematisch in
Das beispielhafte Kraftfahrzeug
In einem ersten Schaltzustand ist Transistor T1 geschlossen und Transistor T2 offen. In diesem ersten Schaltzustand fließt Strom von der Traktionsbatterie (
Mittels der Steuersignale
Zur zusätzlichen Glättung der Ausgangsspannung U1 ist in dem Ausführungsbeispiel ein Glättungskondensator C1 zum Ausgang
Der Spannungswandler
In noch einer alternativen Ausführungsform kann der Schalter S1 funktional auch durch die Transistoren (T1, T2 in
Der Schalter S1 wird mittels elektrischer Signale einer Steuereinheit (nicht gezeigt) angesteuert. Diese Steuereinheit kann beispielsweise auch die Vorgaben für die Spannungswandlung für die Ansteuerung
Der Spannungswandler
Bei maximalem Ladezustand SoC (gleich oder nahe 100 %) liegt die Spannung der Traktionsbatterie beispielhaft bei einer Ladeschlussspannung von Ubattmax = 550 V. Diese Ladeschlussspannung Ubattmax ist größer als die Spannungsobergrenze Umax eines Traktionsnetzes, die hier beispielhaft als Umax = 400 V angenommen wird. Der Spannungswandler arbeitet in diesem Bereich hoher Ladezustandswerte in einem Betriebsmodus, in dem er die Spannung Ubatt auf die maximal erlaubte Grenzspannung Umax tiefsetzt. Mit abnehmendem Ladezustand SoC sinkt die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie ab. Bei einem Ladezustand von etwa 70 % erreicht die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie die Spannungsobergrenze Umax des Traktionsnetzes von 400 V. Ab hier ist ein Tiefsetzen der Spannung Ubatt der Traktionsbatterie nicht mehr erforderlich. Der Spannungswandler wird in seinen zweiten Betriebsmodus geschaltet, in dem er die Traktionsspannung Ubatt ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. Mit zunehmender Entleerung der Traktionsbatterie fällt die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie weiter ab, bis sie bei vollständiger Entleerung der Traktionsbatterie eine Entladeschlussspannung von Ubattmin von hier beispielhaften 300 V erreicht. Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler arbeitet demnach in zwei Betriebszuständen. Bei einer Spannung der Traktionsbatterie, die größer ist als die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes, arbeitet der Spannungswandler in einem ersten Betriebszustand, in dem er die Spannung der Traktionsbatterie auf die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt. Dieser Betriebszustand ist im Diagramm der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Kraftfahrzeug motor vehicle
- 2 2
- Verbrennungsmotor internal combustion engine
- 3 3
- elektrische Maschine electric machine
- 4 4
- Getriebe transmission
- 5 5
- Antriebsachse drive axle
- 6 6
- Umrichter (Leistungselektronik) Inverter (power electronics)
- 7 7
- Traktionsnetz traction power
- 8 8th
- Traktionsbatterie traction battery
- 9 9
- erster Spannungswandler first voltage converter
- 10 10
- zweiter Spannungswandler second voltage converter
- 11 11
- Niedervoltbordnetz Low-voltage onboard network
- 12 12
- Hochvoltverbraucher (z.B. Klimakompressor) High-voltage consumer (eg air conditioning compressor)
- 20 20
- Ansteuerung control
- 21 21
- Anschlüsse für Quellspannung Ubatt Connections for source voltage Ubatt
- 22 22
- Schalteinheit switching unit
- 23 23
- Schalteinheit switching unit
- 24 24
- Steuersignale control signals
- 25 25
- Anschlüsse für Ausgangsspannung U1 Connections for output voltage U1
- T1 T1
- Transistor transistor
- T2 T2
- Transistor transistor
- D1 D1
- Diode diode
- D2 D2
- Diode diode
- C1 C1
- Kondensator capacitor
- L1 L1
- Spule Kitchen sink
- S1 S1
- Schalter (z.B. Schütz) Switch (e.g. contactor)
- U1 U1
- Quellspannung (z.B. von Traktionsbatterie) Source voltage (e.g., of traction battery)
- U2 U2
- Ausgangsspannung (z.B. für Traktionsnetz) Output voltage (e.g., for traction network)
- 30 30
- erster Betriebszustand (Tiefsetzsteller) first operating state (buck converter)
- 31 31
- zweiter Betriebszustand (Durchschalter) second operating state (through switch)
- 32 32
- elektrischer Betrieb electrical operation
- 33 33
- hybridischer Betrieb hybrid operation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102012200577 A1 [0007] DE 102012200577 A1 [0007]
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