DE102015008175A1

DE102015008175A1 - Schaltungsanordnung zum Laden einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug und Ladesystem

Info

Publication number: DE102015008175A1
Application number: DE102015008175.6A
Authority: DE
Inventors: Urs Böhme; Moritz Haußmann; Alexander Nisch; Jörg Weigold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) zum Laden einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug mit einem Hochvolt-Batteriestrang (12, 13), welcher eine zwischen zwei Lastanschlusspole (11p, 11m) eines zweipoligen Lastanschlusses elektrisch gekoppelte Serienschaltung von Batteriezellen aufweist, zur Bereitstellung einer ersten Hochvolt-Gleichspannung (U1) an dem Lastanschluss. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Koppelvorrichtung (16), welche dazu ausgelegt ist, in einem ersten Zustand ein erstes Batteriestrang-Segment (12) des Hochvolt-Batteriestrangs (12, 13) elektrisch zwischen zwei Ladeanschlusspole (14p, 14m) eines zweipoligen Ladeanschlusses zu koppeln, und in einem zweiten Zustand ein von dem ersten verschiedenes zweites Batteriestrang-Segment (13) des Hochvolt-Batteriestrangs (12, 13) elektrisch zwischen die beiden Ladeanschlusspole (14p, 14m) des zweipoligen Ladeanschlusses zu koppeln. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Ladesystem mit einer derartigen Schaltungsanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug mit einem Hochvolt-Batteriestrang, welcher eine zwischen zwei Lastanschlusspole eines zweipoligen Lastanschlusses elektrisch gekoppelte Serienschaltung von Batteriezellen aufweist, zur Bereitstellung einer ersten Hochvoltgleichspannung an dem Lastanschluss. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Ladesystem mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, können eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen, welche bevorzugt in Serie verschaltet sein können. Auf diese Weise entsteht eine Hochvolt-Batterie mit Spannungen im Bereich mehrerer 100 Volt. Unter einer Hochvolt-Batterie wird üblicherweise eine Batterie mit einer Spannung größer als 60 Volt verstanden. Eine fest vorgegebene, im laufenden Betrieb nicht änderbare Verschaltung der einzelnen Batteriezellen kann sich jedoch im praktischen Betrieb als nicht zweckmäßig für alle Betriebszustände erweisen.
Aus der US 2012/0256568 A1 ist eine rekonfigurierbare Multiport-Batterie bekannt, welche mindestens eine Bank von statisch verbundenen in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist, die jeweils einen positiven und negativen Pol umfassen, welche jeweils über Schalter an die jeweiligen Ausgangsanschlüsse an mindestens einem Port angeschlossen ist. Prozessorgesteuerte Schalter konfigurieren diese Zellen, um Energie für elektrische Verbraucher an einem oder mehreren Ports bereitzustellen und gleichzeitig ein Aufladen an einem oder mehreren anderen Ports zu ermöglichen.
Eine derartige Multiport-Batterie ist jedoch sehr komplex und aufwendig in der Ansteuerung der einzelnen Schalter. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Ladesystem zum Laden einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche einen vereinfachten Aufbau zur Anpassung einer Batteriespannung an eine vorgegebene Ladespannung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Ladesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Laden einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug mit einem Hochvolt-Batteriestrang, welcher eine zwischen zwei Lastanschlusspole eines zweipoligen Lastanschlusses elektrisch gekoppelte Serienschaltung von Batteriezellen aufweist, zur Bereitstellung einer ersten Hochvolt-Gleichspannung an dem Lastanschluss. Die gattungsgemäße Schaltungsanordnung wird gemäß der Erfindung weitergebildet durch eine Koppelvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in einem ersten Zustand ein erstes Batteriestrang-Segment des Hochvolt-Batteriestrangs elektrisch zwischen zwei Ladeanschlusspole eines zweipoligen Ladeanschlusses zu koppeln, und in einem zweiten Zustand ein von dem ersten verschiedenes zweites Batteriestrang-Segment des Hochvolt-Batteriestrangs elektrisch zwischen die beiden Ladeanschlusspole des zweipoligen Ladeanschlusses zu koppeln. Hierdurch kann eine Hochvolt-Batterie mit einer ersten Hochvolt-Gleichspannung betrieben werden, welche größer als eine verfügbare Ladespannung beispielsweise an einer öffentlichen DC-Ladesäule ist. Insbesondere kann die erste Hochvolt-Gleichspannung wesentlich größer als die verfügbare Ladespannung sein. Eine Koppelvorrichtung mit elektronischen oder elektromechanischen Schaltern ermöglicht bevorzugt eine höhere energetische Effizienz beim Laden der Hochvolt-Batterie im Vergleich mit einer Anpassung der Ladespannung an die erste Hochvolt-Gleichspannung mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung sind das erste Batteriestrang-Segment und das zweite Batteriestrang-Segment permanent seriell verschaltet und bilden gemeinsam den Hochvolt-Batteriestrang. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass ein aus der ersten Hochvolt-Gleichspannung gespeister Antrieb keine Schaltelemente in dem Laststromkreis und somit einem Antriebsstromkreis aufweist, wodurch Schaltelemente der Koppelvorrichtung lediglich für die Anforderungen in dem Ladebetrieb zu dimensionieren sind. Dadurch kann die Koppelvorrichtung kompakt und kostengünstig aufgebaut werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Koppelvorrichtung dazu ausgelegt, gleichzeitig den ersten Zustand und den zweiten Zustand einzustellen. Mit anderen Worten können dadurch gleichzeitig beide Batteriestrang-Segmente an dem Ladeanschluss betrieben werden, wodurch vorteilhaft auch ein Balancing zwischen dem ersten Batteriestrang-Segment und dem zweiten Batteriestrang-Segment erfolgen kann. Somit können beide Batteriestrang-Segmente während des Ladevorgangs jederzeit denselben Ladegrad aufweisen.
Bevorzugt weisen das erste Batteriestrang-Segment und das zweite Batteriestrang-Segment jeweils eine gleiche Anzahl von Batteriezellen auf.
Besonders bevorzugt weist die erste Hochvolt-Gleichspannung einen Wert von mindestens 400 Volt, vorzugsweise mindestens 600 Volt, insbesondere mindestens 750 Volt, auf. Durch die höheren Betriebsspannungen kann ein effizienterer Betrieb erzielt werden, beispielsweise durch eine Reduktion der erforderlichen Kupferleiterquerschnitte.
Ein erfindungsgemäßes Ladesystem umfasst eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie eine externe Ladestation, welche an den Ladeanschluss der Schaltungsanordnung angeschlossen ist, wobei die externe Ladestation eine Ladegleichspannung in Höhe von höchstens 560 Volt, vorzugsweise höchstens 500 Volt, insbesondere höchstens 450 Volt, bereitstellt.
Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Ladesystem und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Figur in vereinfachter schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Schaltungsanordnung 10 entsprechend der Darstellung in der Figur einen zweipoligen Lastanschluss mit einem ersten Lastanschlusspol 11p und einem zweiten Lastanschlusspol 11m auf, zwischen die eine Serienschaltung aus einem ersten Batteriestrang-Segment 12 und einem zweiten Batteriestrang-Segment 13 geschaltet ist. Das erste Batteriestrang-Segment 12 und das zweite Batteriestrang-Segment 13 bilden hierbei zusammen einen Hochvolt-Batteriestrang. Zwischen dem ersten Lastanschlusspol 11p und dem zweiten Lastanschlusspol 11m liegt somit eine Spannung des Hochvolt-Batteriestrangs in Form einer ersten Hochvolt-Gleichspannung U1 an, die im vorliegenden Beispiel 800 Volt beträgt. Der Minuspol des ersten Batteriestrang-Segments 12 ist elektrisch verbunden mit dem Pluspol des zweiten Batteriestrang-Segments 13. Dieser Verbindungspunkt wird als Strangmittelpunkt 15 bezeichnet. Zwischen dem ersten Lastanschlusspol 11p und dem Strangmittelpunkt 15, also über dem ersten Batteriestrang-Segment 12, liegt ein erste Batteriestrang-Spannung U2 an, zwischen dem Strangmittelpunkt 15 und dem zweiten Lastanschlusspol 11m, also über dem zweiten Batteriestrang-Segment 13, liegt eine zweite Batteriestrang-Spannung U3 an. Die erste Hochvolt-Gleichspannung U1 ergibt sich somit aus der Summe der ersten Batteriestrang-Spannung U2 und der zweiten Batteriestrang-Spannung U3. Die erste Batteriestrang-Spannung U2 und die zweite Batteriestrang-Spannung U3 sind hierbei gleich groß und betragen jeweils 400 Volt.
Der Hochvolt-Batteriestrang und der Lastanschluss sind über eine Koppelvorrichtung 16 mit einem zweipoligen Ladeanschluss elektrisch gekoppelt, welcher einen ersten Ladeanschlusspol 14p und einen zweiten Ladeanschlusspol 14m aufweist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Koppelvorrichtung 16 umfasst diese drei Schaltelemente, nämlich ein erstes Schaltelement S1, ein zweites Schaltelement S2 und ein drittes Schaltelement S3. Das erste Schaltelement S1 ist als Wechselschalter ausgebildet und so angeordnet, dass es den Strangmittelpunkt 15 wahlweise mit dem ersten Ladeanschlusspol 14p oder mit dem zweiten Ladeanschlusspol 14m verbindet. Das zweite Schaltelement S2 ist zwischen dem ersten Ladeanschlusspol 14p und dem ersten Lastanschlusspol 11p angeordnet. Das dritte Schaltelement S3 ist zwischen dem zweiten Ladeanschlusspol 14m und dem zweiten Lastanschlusspol 11m angeordnet. Das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 sind jeweils als einfache Schaltelemente ausgeführt (Ein-Aus).
In einem ersten Zustand verbindet das erste Schaltelement S1 den Strangmittelpunkt 15 mit dem zweiten Ladeanschlusspol 14m und das zweite Schaltelement S2 den ersten Lastanschlusspol 11p, welcher gleichzeitig den Pluspol des Hochvolt-Batteriestrangs darstellt, mit dem ersten Ladeanschlusspol 14p. Auf diese Weise wird das erste Batteriestrang-Segment 12 elektrisch leitend mit dem Ladeanschluss verbunden, welcher mit einer externen Ladegleichspannungsquelle 18 gekoppelt ist, bei der es sich beispielsweise um eine externe Ladestation (DC-Ladesäule) handeln kann. Bevorzugt weist dieser eine Ladegleichspannung U4 in Höhe von 400 Volt auf. Somit ergibt sich in dem ersten Zustand ein Stromfluss I2 während des Ladevorgangs durch das erste Batteriestrang-Segment 12, das erste Schaltelement S1, die Ladegleichspannungsquelle 18 sowie das zweite Schaltelement S2.
In einem zweiten Zustand verbindet das erste Schaltelement S1 den Strangmittelpunkt 15 mit dem ersten Ladeanschlusspol 14p, das zweite Schaltelement S2 ist geöffnet und das dritte Schaltelement S3 ist geschlossen. Somit ist das zweite Batteriestrang-Segment 13 elektrisch mit dem Ladeanschluss gekoppelt, es ergibt sich ein Stromfluss I3 während des Ladevorgangs durch das zweite Batteriestrang-Segment 13, durch das dritte Schaltelement S3, die Ladegleichspannungsquelle 18 sowie das erste Schaltelement S1.
Selbstverständlich kann das als Wechselschalter ausgebildete Schaltelement S1 durch zwei einzelne Schaltelemente ersetzt werden (jeweils nur Ein-Aus), wobei ebenso wie beim Zusammenwirken mit dem zweiten Schaltelement S2 und dem dritten Schaltelement S3 die Ansteuerung jeweils so erfolgt, dass keines der Batteriestrang-Segmente 12, 13 zu irgendeinem Zeitpunkt kurzgeschlossen wird. Die drei Schaltelemente S1, S2, S3 können vorzugsweise durch elektromechanische Bauelemente realisiert sein. Eine entsprechende Kopplung der Ansteuerung lässt sich dadurch besonders einfach erzielen, indem beispielsweise sämtliche Schaltkontakte durch eine einzige elektromagnetische Spule betätigt werden, wobei dann beispielsweise das zweite Schaltelement S2 als Schließer und das dritte Schaltelement S3 als Öffner ausgebildet ist.
Alternativ können die Schaltelemente durch elektronische Schaltelemente, beispielsweise MOSFET oder IGBT, realisiert sein. Ebenso ist selbstverständlich auch ein Mischaufbau möglich, um beispielsweise das erste Schaltelement S1 als elektromechanischen Umschalter auszuführen und das zweite Schaltelement S2 sowie das dritte Schaltelement S3 jeweils auf der Basis von elektronischen Halbleiterschaltern zu realisieren. Dadurch lässt sich beispielsweise eine besonders sichere Kurzschlussverhinderung der einzelnen Batteriestrang-Segmente realisieren, indem beispielsweise das geschlossene zweite Schaltelement S2 geöffnet wird, danach eine Umschaltung des erstem Schaltelements S1 vorgenommen wird und anschließend das Einschalten des dritten Schaltelements S3 erfolgt, wenn das Umschalten des ersten Schaltelements S1 erkannt wurde. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, einen Strom durch das erste Batteriestrang-Segment 12 und einen Strom durch das zweite Batteriestrang-Segment 13 zu überwachen und bei Erkennen eines Überstroms beziehungsweise eines Kurzschlussstroms das entsprechende zweite Schaltelement S2 beziehungsweise dritte Schaltelement S3 sofort zu öffnen.
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So kann natürlich der Aufbau der Koppelvorrichtung 16 sowie die Ausgestaltung und die Anzahl der einzelnen Batteriestrang-Segmente 12, 13 von der dargestellten Form abweichen, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
Somit wurde voranstehend gezeigt, wie eine Batterie-Ladeschaltung für Spannungen größer 400 Volt ausgeführt sein kann, welche das Aufladen von Elektrofahrzeugen mit einer derartigen Batteriespannung an der bestehenden öffentlichen Ladeinfrastruktur ermöglichen.
Bezugszeichenliste

10: Schaltungsanordnung
11p: erster Lastanschlusspol
11m: zweiter Lastanschlusspol
12: erstes Batteriestrang-Segment
13: zweites Batteriestrang-Segment
14p: erster Ladeanschlusspol
14m: zweiter Ladeanschlusspol
15: Strangmittelpunkt
16: Koppelvorrichtung
18: Ladegleichspannungsquelle
I2: erster Stromkreis
I3: zweiter Stromkreis
S1: erstes Schaltelement
S2: zweites Schaltelement
S3: drittes Schaltelement
U1: erste Hochvolt-Gleichspannung
U2: zweite Hochvolt-Gleichspannung
U3: dritte Hochvolt-Gleichspannung
U4: Ladegleichspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0256568 A1 [0003]

Claims

Schaltungsanordnung (10) zum Laden einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug mit: – einem Hochvolt-Batteriestrang (12, 13), welcher eine zwischen zwei Lastanschlusspole (11p, 11m) eines zweipoligen Lastanschlusses elektrisch gekoppelte Serienschaltung von Batteriezellen aufweist, zur Bereitstellung einer ersten Hochvolt-Gleichspannung (U1) an dem Lastanschluss, gekennzeichnet durch: – eine Koppelvorrichtung (16), welche dazu ausgelegt ist, • in einem ersten Zustand ein erstes Batteriestrang-Segment (12) des Hochvolt-Batteriestrangs (12, 13) elektrisch zwischen zwei Ladeanschlusspole (14p, 14m) eines zweipoligen Ladeanschlusses zu koppeln, und • in einem zweiten Zustand ein von dem ersten verschiedenes zweites Batteriestrang-Segment (13) des Hochvolt-Batteriestrangs (12, 13) elektrisch zwischen die beiden Ladeanschlusspole (14p, 14m) des zweipoligen Ladeanschlusses zu koppeln.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Batteriestrang-Segment (12) und das zweites Batteriestrang-Segment (13) permanent seriell verschaltet sind und gemeinsam den Hochvolt-Batteriestrang (12, 13) bilden.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung (16) dazu ausgelegt ist, gleichzeitig den ersten Zustand und den zweiten Zustand einzustellen.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Batteriestrang-Segment (12) und das zweites Batteriestrang-Segment (13) jeweils eine gleiche Anzahl von Batteriezellen aufweisen.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hochvolt-Gleichspannung (U1) einen Wert von mindestens 400 Volt, vorzugsweise mindestens 600 Volt, insbesondere mindestens 750 Volt aufweist.
Ladesystem mit einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine externe Ladestation (18), welche an den Ladeanschluss der Schaltungsanordnung (10) angeschlossen ist, wobei die externe Ladestation (18) eine Ladegleichspannung (U4) in Höhe von höchstens 560 Volt, vorzugsweise höchstens 500 Volt, insbesondere höchstens 450 Volt bereitstellt.