DE102015205278A1 - Power network for an electrically driven motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromnetz (100) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug; mit einem Bordnetz (101) zum Versorgen von elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs mit einer Gleichspannung; einem Antriebstrang (103), der einen Batteriedirektumrichter (105) oder einen Batterie-Konverter mit mehreren schaltbaren Batteriemodulen (107-1, ..., 107-n) aufweist, zum Versorgen eines Elektroantriebs (109) mit einer Wechselspannung; und einer Auskoppeleinrichtung (111-1, ..., 111-n) zum Auskoppeln eines Batteriemoduls (107-1), das mit dem Bordnetz (101) verbunden ist, aus dem Antriebsstrang (103).The present invention relates to a power grid (100) for an electrically driven motor vehicle; with a vehicle electrical system (101) for supplying electrical components of the motor vehicle with a DC voltage; a powertrain (103) having a battery direct converter (105) or a battery converter with a plurality of switchable battery modules (107-1, ..., 107-n) for supplying an electric drive (109) with an AC voltage; and a decoupling device (111-1, ..., 111-n) for decoupling a battery module (107-1), which is connected to the electrical system (101), from the drive train (103).

Figure DE102015205278A1_0001
Figure DE102015205278A1_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.The present invention relates to a power network for an electrically driven motor vehicle, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.

Mit der seriellen Verschaltung von elektrochemischen Batteriezellen können Hochvolt-Energiespeicher mit großer Kapazität für einen Antrieb von Elektrofahrzeugen realisiert werden. Aufgrund der hohen Energiedichte werden Lithium-Ionen-Batterien verwendet. In einem Batteriesystem mit integriertem Umrichter wird ein schneller Wechsel der Stromführung durch ein Batteriemodul oder an diesem Batteriemodul vorbei zur Variation der Strangspannung erzeugt. Hierbei werden Batteriemodule mit Strömen über größere Frequenzbereiche bis in den kHz-Bereich betrieben.With the serial connection of electrochemical battery cells high-voltage energy storage can be realized with large capacity for driving electric vehicles. Due to the high energy density lithium-ion batteries are used. In a battery system with an integrated converter, a rapid change of the current conduction through a battery module or past this battery module is generated for varying the strand voltage. This battery modules are operated with currents over larger frequency ranges up to the kHz range.

Ein Batteriemodul besteht dabei aus einer Verschaltung von einer oder mehrerer Batteriezellen mittels einer Brückenschaltung. In dem Batteriesystem mit integriertem Umrichter als Direkt-Inverter kann eine drei-phasige Wechselspannung erzeugt werden. Allerdings kann im Gegensatz zu einem konventionellen Energiespeichersystem mit Zentralinverter kein Gleichspannungswandler zur Versorgung eines Gleichspannungsbordnetzes verwendet werden. Die übrigen Verbraucher können daher nicht effizient mit Strom versorgt werden. Eine Bordnetzversorgung wie bei einer konventionellen Hochspannungsbatterie ohne H-Brücken an den Batteriezellen über einen Gleichspannungswandler scheidet in diesem Fall aus.A battery module consists of an interconnection of one or more battery cells by means of a bridge circuit. In the battery system with integrated inverter as a direct inverter, a three-phase AC voltage can be generated. However, in contrast to a conventional energy storage system with central inverter no DC-DC converter can be used to supply a DC electrical system. The remaining consumers can therefore not be supplied with electricity efficiently. An onboard power supply as in a conventional high voltage battery without H-bridges on the battery cells via a DC-DC converter is eliminated in this case.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Stromnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen, das die effiziente Versorgung von elektrischen Komponenten mit Gleichstrom auch bei einer Verwendung eines Batteriedirektumrichters ermöglicht.It is the object of the present invention to provide a power grid for an electrically driven motor vehicle, which enables the efficient supply of electrical components with direct current even when using a battery direct converter.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Stromnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug gelöst; mit einem Bordnetz zum Versorgen von elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs mit einer Gleichspannung; einem Antriebstrang, der einen Batteriedirektumrichter oder einen Batterie-Konverter mit mehreren schaltbaren Batteriemodulen aufweist, zum Versorgen eines Elektroantriebs mit einer Wechselspannung; und einer Auskoppeleinrichtung zum Auskoppeln eines Batteriemoduls, das mit dem Bordnetz verbunden ist, aus dem Antriebsstrang. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass auf einfache Weise eine direkte Erzeugung einer konstanten Spannung für das Bordnetz durchgeführt werden kann. Dadurch können ein oder zwei Batteriemodule pro Strang so verschaltet werden, dass die Modulspannung auf einen Zwischenkreis ausgekoppelt wird, über den ein galvanisch trennender Gleichspannungswandler das Bordnetz versorgt. Die ausgekoppelten Batteriemodule stellen über die Auskoppelelemente die Eingangsspannung für den Gleichspannungswandler des Bordnetzes bereit.According to a first aspect, the object is achieved by a power grid for an electrically driven motor vehicle; with a vehicle electrical system for supplying electrical components of the motor vehicle with a DC voltage; a powertrain having a battery direct converter or a battery converter with a plurality of switchable battery modules, for supplying an electric drive with an AC voltage; and a decoupling device for decoupling a battery module, which is connected to the electrical system, from the drive train. As a result, for example, the technical advantage is achieved that in a simple manner, a direct generation of a constant voltage for the electrical system can be performed. As a result, one or two battery modules per line can be connected in such a way that the module voltage is decoupled to a DC link via which a galvanically isolating DC-DC converter supplies the vehicle electrical system. The decoupled battery modules provide via the decoupling elements, the input voltage for the DC-DC converter of the electrical system.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes ist das auskoppelbare Batteriemodul über einen Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spannung des Batteriemoduls angehoben oder abgesenkt werden kann.In an advantageous embodiment of the power grid, the decoupled battery module is connected via a DC-DC converter to the electrical system. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the voltage of the battery module can be raised or lowered.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes umfasst die Auskoppeleinrichtung Dioden oder Halbleiterschalter zum Auskoppeln des Batteriemoduls. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die auskoppelbaren Batteriemodule auf einfache Weise entkoppelt werden können.In a further advantageous embodiment of the power grid, the decoupling device comprises diodes or semiconductor switches for coupling out the battery module. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the decoupled battery modules can be decoupled in a simple manner.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes umfasst das Stromnetz mehrere auskoppelbare Batteriemodule. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Bordnetzspannung auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn eines der Batteriemodule entladen ist.In a further advantageous embodiment of the power grid, the power grid comprises a plurality of decoupled battery modules. As a result, the technical advantage is achieved, for example, that the vehicle electrical system voltage can be maintained even when one of the battery modules is discharged.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes sind die auskoppelbaren Batteriemodule in Serie miteinander verbunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spannung erhöht werden kann, die von den Batteriemodulen bereitgestellt wird.In a further advantageous embodiment of the power grid, the decoupled battery modules are connected in series with each other. Thereby, for example, the technical advantage is achieved that the voltage can be increased, which is provided by the battery modules.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes sind die auskoppelbaren Batteriemodule parallel zueinander verbunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die Kapazität der Batteriemodule erhöht.In a further advantageous embodiment of the power grid, the decoupled battery modules are connected in parallel. As a result, for example, the technical advantage is achieved that increases the capacity of the battery modules.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes umfasst das Stromnetz mehrere Antriebstränge mit jeweils einem auskoppelbaren Batteriemodul. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass mehrere Antriebstränge gleichmäßig belastet werden.In a further advantageous embodiment of the power grid, the power grid comprises a plurality of drive trains, each with a decoupled battery module. As a result, for example, the technical advantage is achieved that several drive trains are loaded evenly.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromnetzes sind die auskoppelbare Batteriemodule über Transistor-H-Brücken variabel miteinander verschaltbar. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriemodule parallel oder seriell geschaltet werden können.In a further advantageous embodiment of the power grid, the decoupled battery modules can be variably interconnected via transistor H-bridges. As a result, the technical advantage is achieved, for example, that the battery modules can be connected in parallel or in series.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Stromnetzes gelöst, mit den Schritten eines Versorgens von elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs mit einer Gleichspannung mittels eines Bordnetzes; eines Versorgens eines Elektroantriebs mit einer Wechselspannung über einen Antriebstrang, der einen Batteriedirektumrichter mit mehreren schaltbaren Batteriemodulen aufweist; und eines Auskoppelns eines Batteriemoduls, das mit dem Bordnetz verbunden ist, aus dem Antriebsstrang mittels einer Auskoppeleinrichtung. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt erreicht.According to a second aspect, the object is achieved by a method for operating a Electricity network solved, with the steps of supplying electrical components of the motor vehicle with a DC voltage by means of a vehicle electrical system; supplying an electric drive with an AC voltage via a drive train having a battery direct converter with a plurality of switchable battery modules; and a decoupling of a battery module, which is connected to the electrical system, from the drive train by means of a decoupling device. This achieves the same technical advantages as the method according to the first aspect.

In einer Vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Batteriemodule über Transistor-H-Brücken variabel miteinander verschaltet. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriemodule parallel oder seriell geschaltet werden können.In an advantageous embodiment of the method, a plurality of battery modules are interconnected variably via transistor H bridges. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the battery modules can be connected in parallel or in series.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Ansicht eines Einstrangsystems mit Serienverschaltung von zwei Batteriemodulen; 1 a schematic view of a single rail system with series connection of two battery modules;

2 eine schematische Ansicht eines Einstrangsystems mit Serienverschaltung von drei Batteriemodulen; 2 a schematic view of a single rail system with series connection of three battery modules;

3 eine schematische Ansicht einer Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen zur Auskopplung der Bordnetzversorgung; 3 a schematic view of a series connection of two parallel battery modules for coupling the vehicle power supply;

4 eine Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen; 4 a series connection of two parallel battery modules;

5 mehrere Diagramme bei einer Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen; 5 several diagrams in a series connection of two parallel battery modules;

6 eine schematische Ansicht eines Stromnetzes mit einem Dreistrangsystem und einer Parallelverschaltung der Batteriemodule; und 6 a schematic view of a power grid with a three-line system and a parallel connection of the battery modules; and

7 eine schematische Ansicht einer Serienverschaltung von zwei Batteriemodulen im Antriebsstrang und Parallelverschaltung der Batteriemodule. 7 a schematic view of a series connection of two battery modules in the drive train and parallel connection of the battery modules.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromnetzes 100 mit einem Einstrangsystem, in dem zwei Batteriemodule 107-1 und 107-2 eines Batterie-Konverters 105 in Serie geschaltet sind. Das Stromnetz 100 wird in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug verwendet und dient einerseits zur Versorgung eines Elektroantriebs 109 mit einer Wechselspannung und anderseits zur Versorgung von elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs mit einer Gleichspannung, wie beispielsweise einem Navigationsgerät oder Radio. 1 shows a schematic view of a power grid 100 with a single-rail system in which two battery modules 107-1 and 107-2 a battery converter 105 are connected in series. The power grid 100 is used in an electrically driven motor vehicle and serves on the one hand to supply an electric drive 109 with an alternating voltage and on the other hand for the supply of electrical components of the motor vehicle with a DC voltage, such as a navigation device or radio.

Die elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs sind an ein Bordnetz 101 angeschlossen. Der Elektroantrieb 109 wird demgegenüber über einen Antriebstrang 103 versorgt, der einen Batterie-Konverter 105 mit mehreren schaltbaren Batteriemodulen 107-1, ..., 107-n aufweist. Der Antriebstrang 103 umfasst einen Inverter 137. Die Batteriemodule 107-1, ..., 107-n weisen eine oder mehrere Batteriezellen auf.The electrical components of the motor vehicle are connected to a vehicle electrical system 101 connected. The electric drive 109 is in contrast via a drive train 103 powered by a battery converter 105 with several switchable battery modules 107-1 , ..., 107-n having. The drive train 103 includes an inverter 137 , The battery modules 107-1 , ..., 107-n have one or more battery cells.

Die Ausgangspannung der Batteriemodule 107-1, ..., 107-n lässt sich einzeln über eine H-Vollbrücke mit Transistoren zu- oder abschalten. Durch ein zeitlich veränderliches Zusammenschalten mehrerer Batteriemodule 107-1, ..., 107-n lassen sich so variable Batteriespannungen für den Inverter und die elektrische Maschine des Elektroantriebs 109 erzeugen.The output voltage of the battery modules 107-1 , ..., 107-n can be individually switched on or off via an H-full bridge with transistors. By a time-varying interconnection of several battery modules 107-1 , ..., 107-n This allows variable battery voltages for the inverter and the electrical machine of the electric drive 109 produce.

Einige der Batteriemodule 107-1, ..., 107-n sind über einen Zwischenkreis 115 mit einem Gleichspannungswandler 113 verbunden. Über den Gleichspannungswandler 113 wird das Bordnetz 101 versorgt, beispielsweise mit einer Gleichspannung von 12 V. Diejenigen Batteriemodule 107-1 und 107-2, die an dem Zwischenkreis 115 angeschlossen sind, können über eine Auskoppeleinrichtung 111-1, ..., 111-n aus dem Antriebsstrang 103 ausgekoppelt werden. Dadurch steht die elektrische Energie der Batteriemodule 107-1 und 107-2 für die Speisung des Bordnetzes 101 zur Verfügung.Some of the battery modules 107-1 , ..., 107-n are via a DC link 115 with a DC-DC converter 113 connected. About the DC-DC converter 113 becomes the electrical system 101 supplied, for example, with a DC voltage of 12 V. Those battery modules 107-1 and 107-2 at the DC link 115 can be connected via a decoupling device 111-1 , ..., 111-n from the drive train 103 be decoupled. This is the electrical energy of the battery modules 107-1 and 107-2 for the supply of the electrical system 101 to disposal.

Die Auskoppeleinrichtung 111-1, ..., 111-n umfasst die Auskoppelelemente 111-1, ..., 111-n, die durch Auskoppeldioden oder steuerbare Halbleiterschalter gebildet sein können, wie beispielsweise MOSFETs. Jedes Batteriemodul 107-1, ..., 107-n weist zwei Auskoppelelemente 111-1, ..., 111-n auf, über die es mit dem Zwischenkreis 115 verbunden ist.The decoupling device 111-1 , ..., 111-n includes the decoupling elements 111-1 , ..., 111-n , which may be formed by Auskoppeldioden or controllable semiconductor switches, such as MOSFETs. Every battery module 107-1 , ..., 107-n has two decoupling elements 111-1 , ..., 111-n on top of it with the DC link 115 connected is.

Das Stromnetz 100 umfasst ein Einstrangsystem, das zwei Batteriemodule 107-1 und 107-2 in Serie verschaltet und den Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 113 des Bordnetzes 101 speist. Umgekehrt können auch nicht gezeigte Batteriezellen des Bordnetzes 101 zusätzlich zum Antrieb des Elektroantriebs 109 verwendet werden.The power grid 100 includes a single-rail system, the two battery modules 107-1 and 107-2 connected in series and the DC-DC converter (DC / DC converter) 113 of the electrical system 101 fed. Conversely, not shown battery cells of the electrical system 101 in addition to the drive of the electric drive 109 be used.

Um den Entladestrom der Batteriemodule 107-1 und 107-2 zu begrenzen oder unterhalb des maximalen Entladestroms zu halten, kann durch eine geeignete Betriebsstrategie der Gleichspannungswandler 113 kurzzeitig mit angepasster Leistung betrieben oder abgeschaltet werden.To the discharge current of the battery modules 107-1 and 107-2 can be limited or kept below the maximum discharge current, by a suitable operating strategy of the DC-DC converter 113 be operated for a short time with adapted power or switched off.

2 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromnetzes 100 mit einem Einstrangsystem, in dem drei Batteriemodule 107-1, 107-2 und 107-3 in Serie geschaltet sind. Der Antriebstrang 103 umfasst einen Inverter 137. Werden mehr als zwei Batteriemodule 107-1, 107-2 über die Auskoppelelemente 111-1, ..., 111-n in Serie verschaltet, so steht am Eingang des Gleichspannungswandler 113 maximal die n-fache Modulspannung zur Verfügung. Werden also drei Batteriemodule 107-1, 107-2 und 107-3 in Serie geschaltet, steht am Eingang des Gleichspannungswandlers 113 maximal die dreifache Modulspannung zur Verfügung. In diesem Fall wird der Gleichspannungswandler 113 auf die variierende Eingangsspannung ausgelegt. 2 shows a schematic view of a power grid 100 with a single-rail system, in which three battery modules 107-1 . 107-2 and 107-3 are connected in series. The drive train 103 includes an inverter 137 , Become more than two battery modules 107-1 . 107-2 via the decoupling elements 111-1 , ..., 111-n connected in series, so stands at the input of the DC-DC converter 113 at most the n-fold module voltage available. So become three battery modules 107-1 . 107-2 and 107-3 connected in series, stands at the input of the DC-DC converter 113 a maximum of three times the module voltage available. In this case, the DC-DC converter 113 designed for the varying input voltage.

Das Ansteuermuster umfasst ein Ansteuern des Batteriemoduls 107-1 auf dem oberen Halbbrückenzweig (High Side), ein Schalten des Batteriemoduls 107-2 in den Normalbetrieb wie im Antriebskreis und ein Ansteuern des Batteriemodul 107-3 auf dem unteren Halbbrückenzweig (Low Side). Die Bordnetzspannung beträgt dann die dreifache Modulspannung.The drive pattern includes driving the battery module 107-1 on the upper half bridge branch (High Side), a switching of the battery module 107-2 in normal operation as in the drive circuit and driving the battery module 107-3 on the lower half bridge branch (low side). The vehicle electrical system voltage is then three times the module voltage.

3 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromnetzes 100 mit einem Dreistrangsystem, in dem je ein Batteriemodul 107 aus zwei parallelen Antriebssträngen 103 in Serie verschaltbar ist. Dabei werden in dem Mehrstrangsystem zwei der untersten Batteriemodule 107-1 und 107-2 je eines Antriebsstrangs 103-1 und 103-2, die dem Sternpunkt 121 am nächsten liegen, in Serie verschaltet. 3 shows a schematic view of a power grid 100 with a three-line system, in each of which a battery module 107 from two parallel drive trains 103 can be connected in series. In this case, in the multi-strand system, two of the lowest battery modules 107-1 and 107-2 each of a powertrain 103-1 and 103-2 that the star point 121 closest, connected in series.

Die Verschaltung der Batteriemodule 107-1 und 107-2 erfolgt über eine entsprechende Ansteuerung der Transistor-H-Brücken 135. Die in Serie verschaltbaren Batteriemodule 107-1 und 107-2 speisen den Gleichspannungswandler 113 des Bordnetzes 101. Durch eine Reihenschaltung der Batteriemodule 107-1 und 107-2 erfolgt eine Spannungsverdoppelung (doppelte Modulspannung). Durch die Ansteuermuster der Batteriemodule 107-1 und 107-2 und die Drehfrequenz und die Polarität der Motorspannung wird eine gleichmäßige Belastung und Energieentnahme der Batteriemodule 107-1 und 107-2 erreicht.The interconnection of the battery modules 107-1 and 107-2 occurs via a corresponding control of the transistor H-bridges 135 , The series-connectable battery modules 107-1 and 107-2 feed the DC-DC converter 113 of the electrical system 101 , By a series connection of the battery modules 107-1 and 107-2 a voltage doubling occurs (double module voltage). Through the control patterns of the battery modules 107-1 and 107-2 and the rotation frequency and the polarity of the motor voltage becomes a uniform load and energy extraction of the battery modules 107-1 and 107-2 reached.

Werden die unteren Batteriemodule 107-1 und 107-2 im Antriebsstrang 103-1 (U) und 103-2 (V) oder 103-3 (W) mit dem gleichen Ansteuermuster betrieben, erfolgt eine Lastaufteilung entsprechend dem Ladezustand der Batteriemodule 107-1 oder 107-2 (Spannung/Innenwiderstand). Dadurch wird die Eingangsspannung für den Gleichspannungswandler 113 minimal erhöht.Will the lower battery modules 107-1 and 107-2 in the drive train 103-1 (U) and 103-2 (V) or 103-3 (W) operated with the same control pattern, there is a load sharing according to the state of charge of the battery modules 107-1 or 107-2 (Voltage / internal resistance). This will cause the input voltage for the DC-DC converter 113 slightly increased.

4 zeigt eine Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen 107-1 und 107-2 zur Spannungsverdopplung der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 113 für die Bordnetzversorgung unter Verwendung einer entsprechenden Ansteuerung der Transistor-H-Brücken 135. Die Serienverschaltung der Modulspannung erfolgt aus Phase U und V über die Batteriemodule 107-1 und 107-2. Die Batteriemodule 107-1 und 107-2 werden über den oberen Halbbrückenzweig (High-Side) in Phase U und über den unteren Halbbrückenzweig (Low-Side) in Phase V überbrückt und stehen so nicht zur Erzeugung der Motorspannung bereit. Dies ist durch einen Strompfad 117 mit durchgehender Linie gezeigt, der einen Strom-Bypass anzeigt. 4 shows a series connection of two parallel battery modules 107-1 and 107-2 for voltage doubling of the input voltage of the DC-DC converter 113 for the electrical system supply using a corresponding control of the transistor H-bridges 135 , The series connection of the module voltage takes place from phase U and V via the battery modules 107-1 and 107-2 , The battery modules 107-1 and 107-2 are bridged via the upper half-bridge branch (high-side) in phase U and the lower half-bridge branch (low-side) in phase V and are thus not ready to generate the motor voltage. This is through a current path 117 shown with a solid line indicating a current bypass.

Die Batteriemodule 107-1 und 107-2 werden über den Sternpunkt 121 in Serie verschaltet, so dass über die Auskoppelelemente 111-1, ..., 111-n die doppelte Modulspannung am Eingang des Gleichspannungswandlers 113 anliegt. Dies ist durch einen Strompfad 119 mit gestrichelter Linie gezeigt. Bei der Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen 107-1 und 107-2 kann immer noch der Antriebstrang 103-3 die volle Spannung abgeben.The battery modules 107-1 and 107-2 be over the star point 121 connected in series, so that via the decoupling elements 111-1 , ..., 111-n twice the module voltage at the input of the DC-DC converter 113 is applied. This is through a current path 119 shown with dashed line. For series connection of two parallel battery modules 107-1 and 107-2 can still drive the powertrain 103-3 release the full voltage.

Besonders bei Ausprägungen von Direktinvertertopologien mit geringer Modulspannung, wie beispielsweise 7,2 V, kann der Gleichspannungswandler 113 dann auf eine relativ konstante Eingangsspannung ausgelegt werden.Particularly in the case of variants of direct inverter topologies with a low module voltage, such as, for example, 7.2 V, the DC-DC converter 113 then be designed for a relatively constant input voltage.

Werden zwei Batteriemodule 107-1 und 107-2 mit dem gleichen Ansteuermuster betrieben, so wird bei Abweichung der Modulspannung, das Batteriemodul 107-1 und 107-2 mit der höheren Spannung belastet und es erfolgt eine Lastaufteilung auf die beiden Batteriemodule 107-1 und 107-2 entsprechend deren Ladezustand (Modulspannung, Innenwiderstand).Become two battery modules 107-1 and 107-2 operated with the same control pattern, then, in case of deviation of the module voltage, the battery module 107-1 and 107-2 loaded with the higher voltage and there is a load sharing on the two battery modules 107-1 and 107-2 according to their state of charge (module voltage, internal resistance).

Ist ein Batteriemodul 107-3 im Motorstrangbetrieb verschaltet, erfolgt im Rekuperationsfall eine automatische Kommutierung auf dieses Batteriemodul 107-3, da hier die Ladespannung höher ist als die Entladespannung in dem entsprechendem Batteriemodul mit der gleichen Spannungspolarität zum Sternpunkt 121.Is a battery module 107-3 In motor-stall mode, an automatic commutation to this battery module takes place in the case of recuperation 107-3 because here the charging voltage is higher than the discharge voltage in the corresponding battery module with the same voltage polarity to the neutral point 121 ,

5 zeigt Spannungen bei der Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen 107-1 und 107-2 aus 4. Das Diagramm 123 zeigt die Eingangsspannung am Gleichspannungswandler 113 über die Zeit. Die Eingangsspannung am Gleichspannungswandler 113 ist gleich der Summe der Spannungen aus den Batteriemodulen 107-1 und 107-2. Durch dieses Verfahren wird die Eingangsspannung für den Gleichspannungswandler 113 erhöht. 5 shows voltages in the series connection of two parallel battery modules 107-1 and 107-2 out 4 , The diagram 123 shows the input voltage at the DC-DC converter 113 over time. The input voltage at the DC-DC converter 113 is equal to the sum of the voltages from the battery modules 107-1 and 107-2 , By this method, the input voltage for the DC-DC converter 113 elevated.

Das Diagramm 125 zeigt den Eingangsstrom am Gleichspannungswandler 113 über die Zeit. Das Diagramm 127 zeigt die Motorstrangspannung in den Antriebsträngen 103-1, 103-2 und 103-3 (U, V und W) über die Zeit. Das Diagramm 129 zeigt den Strangstrom in den Antriebsträngen 103-1, 103-2 und 103-3 (U, V und W) über die Zeit. Das Diagramm 131 zeigt die Modulspannung der drei Batteriemodule 107-1, 107-2 und 107-3 von jeweils 7,1 V, 7,2 V und 7,3 V über die Zeit. Das Diagramm 133 zeigt den Modulstrom über die Zeit.The diagram 125 shows the input current at the DC-DC converter 113 over time. The diagram 127 shows the motor string voltage in the drive trains 103-1 . 103-2 and 103-3 (U, V and W) over time. The diagram 129 shows the string current in the drive trains 103-1 . 103-2 and 103-3 (U, V and W) over time. The diagram 131 shows the module voltage of the three battery modules 107-1 . 107-2 and 107-3 of 7.1V, 7.2V and 7.3V over time, respectively. The diagram 133 shows the module current over time.

6 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromnetzes 100 mit einem Dreistrangsystem und einer Parallelverschaltung der Batteriemodule 107-1, 107-2, 107-3 mit den Batteriemodulen 107-4, 107-5, 107-6 zur Auskopplung der Bordnetzversorgung. Dabei werden die beiden untersten Batteriemodule 107-1 und 107-4 eines einzelnen Antriebstrangs 103-1 in Serie verschaltet und ausgekoppelt. 6 shows a schematic view of a power grid 100 with a three-wire system and a parallel connection of the battery modules 107-1 . 107-2 . 107-3 with the battery modules 107-4 . 107-5 . 107-6 for decoupling the onboard power supply. Here are the two lowest battery modules 107-1 and 107-4 a single drive train 103-1 connected in series and decoupled.

Jeweils zwei Batteriemodule 107-1 und 107-4 sowie 107-2 und 107-5 aus einem Antriebsstrang 103-1 und 103-2 können in Serie verschaltet werden und den Gleichspannungswandler 113 speisen. Durch das Ansteuermuster des oberen Halbbrückenzweigs (High Side) im Batteriemodul 107-1, 107-2 oder 107-3 und des unteren Halbbrückenzweigs im Batteriemodul 107-4, 107-5 oder 107-6 (Low-Side) werden die Batteriemodule 107-1 und 107-4 oder 107-2 und 107-5 oder 107-3 und 107-6 in Serie verschaltet. Diese Batteriemodule 107 stehen solange in diesem Antriebsstrang 103-1, 103-2 oder 103-3 nicht zur Erzeugung der Motorspannung zur Verfügung.Two battery modules each 107-1 and 107-4 such as 107-2 and 107-5 from a drive train 103-1 and 103-2 can be connected in series and the DC-DC converter 113 Food. By the driving pattern of the upper half-bridge branch (High Side) in the battery module 107-1 . 107-2 or 107-3 and the lower half-bridge branch in the battery module 107-4 . 107-5 or 107-6 (Low-side) become the battery modules 107-1 and 107-4 or 107-2 and 107-5 or 107-3 and 107-6 connected in series. These battery modules 107 stand in this drivetrain for as long as possible 103-1 . 103-2 or 103-3 not available for generating the motor voltage.

Werden die unteren Batteriemodule 107-1 und 107-4 im Antriebsstrang 103-1 oder die unteren Batteriemodule 107-2 und 107-5 im Antriebsstrang 103-2 oder die unteren Batteriemodule 107-3 und 107-6 im Antriebsstrang mit dem gleichen Ansteuermuster betrieben, erfolgt eine Lastaufteilung entsprechend dem Ladezustand der Batteriemodule 107 (Spannung/Innenwiderstand).Will the lower battery modules 107-1 and 107-4 in the drive train 103-1 or the lower battery modules 107-2 and 107-5 in the drive train 103-2 or the lower battery modules 107-3 and 107-6 operated in the drive train with the same control pattern, there is a load sharing according to the state of charge of the battery modules 107 (Voltage / internal resistance).

7 zeigt eine schematische Ansicht einer Serienverschaltung von zwei Batteriemodulen 107-1 und 107-4 im Antriebsstrang 103-1 und Parallelverschaltung der Batteriemodule 107-1, 107-2 und 107-3 sowie 107-4, 107-5 und 107-6 zur Auskopplung der Bordnetzversorgung. 7 shows a schematic view of a series connection of two battery modules 107-1 and 107-4 in the drive train 103-1 and parallel connection of the battery modules 107-1 . 107-2 and 107-3 such as 107-4 . 107-5 and 107-6 for decoupling the onboard power supply.

Die übrigen parallelen Antriebsstränge 103-2 und 103-3 können die gesamte Anzahl von Batteriemodulen 107 im Motorstrang nutzen. Durch das gleiche Ansteuermuster der zwei unteren Batteriemodule 107-3 bis 107-6 in den Antriebsträngen 103-2 und 103-3 werden diese parallel verschaltet und speisen gleichzeitig den Gleichspannungswandler 113.The other parallel drive trains 103-2 and 103-3 can change the total number of battery modules 107 use in the engine train. By the same control pattern of the two lower battery modules 107-3 to 107-6 in the drive trains 103-2 and 103-3 These are connected in parallel and simultaneously feed the DC-DC converter 113 ,

Die Lastaufteilung auf die einzelnen Batteriemodule 107 oder Antriebsstränge 103 erfolgt entsprechend ihrem Ladezustand (Modulspannung, Innenwiderstand) und wie im Zusammenhang mit einer Serienverschaltung von zwei parallelen Batteriemodulen beschrieben. Der Strompfad 117 zeigt einen Strom-Bypass. Der Strompfad 119 zeigt einen Strompfad für den Gleichspannungswandler 113.The load distribution on the individual battery modules 107 or drive trains 103 takes place according to their state of charge (module voltage, internal resistance) and as described in connection with a serial connection of two parallel battery modules. The current path 117 shows a current bypass. The current path 119 shows a current path for the DC-DC converter 113 ,

Bei der Serienverschaltung zweier Batteriemodule 107-1 und 107-4 im Antriebsstrang 103 und der Parallelverschaltung der Batteriemodule 107-1, 107-2 und 107-3 können die beiden anderen Antriebsstränge die volle Spannung abgeben. Durch das Umschalten der Ansteuermuster in den Antriebssträngen 103 kann mit der vollen Spannung im System gefahren werden.In the series connection of two battery modules 107-1 and 107-4 in the drive train 103 and the parallel connection of the battery modules 107-1 . 107-2 and 107-3 the two other drive trains can deliver the full voltage. By switching the control pattern in the drive trains 103 can be driven with the full voltage in the system.

Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass neben einer zusätzlichen Beschaltung mit den Auskoppelelementen 111-1, ..., 111-n diese durch eine abgestimmte Kombination von zwei möglichen Bypasspfaden pro Batteriemodul 107 (High Side oder Low Side) wirksam werden und mindestens ein Batteriemodul 107 mit dem Antriebsstrom und dem Bordnetzstrom belastet wird.All embodiments have in common that in addition to an additional circuit with the decoupling elements 111-1 , ..., 111-n this through a coordinated combination of two possible bypass paths per battery module 107 (High Side or Low Side) and at least one battery module 107 is loaded with the drive current and the vehicle electrical system current.

Die Belastungsverteilung oder Energieabnahmeauskopplung aus den einzelnen Batteriemodulen 107 oder Antriebssträngen 103 erfolgt je nach Ansteuermuster der Batteriemodule 107. Die ausgekoppelte Spannung wird auf den Zwischenkreiseingang des optionalen galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers 113 geleitet.The load distribution or energy extraction output from the individual battery modules 107 or drive trains 103 occurs depending on the control pattern of the battery modules 107 , The decoupled voltage is applied to the DC link input of the optional galvanic isolating DC-DC converter 113 directed.

Durch die Verschaltung und Ansteuermuster mit drei Antriebssträngen 103 wird eine redundante Speisung des Gleichspannungswandlers 113 aus den Batteriemodulen 107 ermöglicht. Eine geeignete Ansteuerung der Batteriemodule 107 stellt eine Versorgung des Elektroantriebs 109 und des Bordnetzes 101 sicher. Zudem wird für einen Ladungsausgleich zwischen unterschiedlich belasteten Zellen der Batteriemodule 107 gesorgt. Die Zellen der Batteriemodule 107 weisen eine geeignete Kapazität auf, um das Bordnetz 101 zu versorgen.Through the interconnection and control pattern with three drive trains 103 becomes a redundant supply of the DC-DC converter 113 from the battery modules 107 allows. A suitable control of the battery modules 107 provides a supply of the electric drive 109 and the electrical system 101 for sure. In addition, for a charge balance between differently loaded cells of the battery modules 107 taken care of. The cells of the battery modules 107 have a suitable capacity to the electrical system 101 to supply.

Da je nach Fahrprofil die Zellen für die Bordnetzversorgung schneller oder langsamer entladen werden, können durch geeignete Ansteuerung die Bordnetzzellen von den Batteriemodulen 107 für den Antrieb nachgeladen werden. Des Weiteren können die Bordnetzzellen zusätzlich zum Speisen des Elektroantriebs 109 verwendet werden. Dadurch steht dem Elektroantrieb 109 die volle Spannung zur uneingeschränkt Verfügung. Um eine Überlastung der Batteriemodule 107 zu vermeiden, kann die vom Gleichspannungswandlers 113 bezogene Leistung kurzfristig reduziert werden.Since, depending on the driving profile, the cells for the vehicle electrical system supply are discharged faster or more slowly, the on-board electrical supply cells can be removed from the battery modules by suitable control 107 be recharged for the drive. Furthermore, the electrical system cells in addition to dining the electric drive 109 be used. This puts the electric drive 109 the full voltage at your disposal. To overload the battery modules 107 To avoid the DC converter 113 related performance can be reduced in the short term.

Im Allgemeinen können ein oder mehrere Batteriemodule 107-1, ..., 107-n durch feste Abgriffe über die Auskoppelelemente 111-1, ..., 111-n aus einem oder mehreren Antriebsträngen 103 zur Versorgung des Bordnetzes ausgekoppelt werden. Dadurch kann eine Bordnetzauskopplung mit getrennten Strompfaden für Ein- und Mehrphasenbatteriesystemen mit schaltbaren Batteriemodulen 107-1, ..., 107-n realisiert werden. Die Strompfade für das Bordnetz sind vollständig von den Antriebssträngen 103 getrennt. Allerdings besteht ein Bezug auf ein gemeinsames Massepotential.In general, one or more battery modules 107-1 , ..., 107-n by fixed taps on the decoupling elements 111-1 , ..., 111-n from one or more drive trains 103 be decoupled to supply the electrical system. This can be a Bordnetzauskopplung with separate current paths for single and multi-phase battery systems with switchable battery modules 107-1 , ..., 107-n will be realized. The current paths for the electrical system are completely from the drive trains 103 separated. However, there is a reference to a common ground potential.

Durch das Stromnetz 100 kann eine direkte Erzeugung einer konstanten Spannung für das Bordnetz 101 durchgeführt werden. Durch eine Redundanz durch äquivalente Abgriffe an allen drei Phasen wird eine erhöhte Verfügbarkeit erreicht. Es erfolgt eine automatische Kommutierung der Belastung des Bordnetzes 101 auf die parallel speisenden Batteriemodule 107. Es entsteht kein technischer Zusatzaufwand für die Batteriemodule der Bordnetzversorgung. Zudem kann durch selektives Belasten oder Umladen der Batteriemodule 107 zwischen den Antriebsträngen 103 die Batterieladung der ausgewählten Batteriemodule 107 in beliebigem Verhältnis zwischen Bordnetzversorgung und Antrieb verwendet werden. Die Versorgung des Gleichspannungswandlers 113 wird auch in den Rekuperationsphasen sichergestellt. Auch beim Nachladen eines Bordnetzbatteriemoduls bleibt die Versorgung des Gleichspannungswandlers 113 sichergestellt. Zudem sind keine zusätzlichen Schalter im Leistungspfad erforderlich.Through the electricity grid 100 can be a direct generation of a constant voltage for the electrical system 101 be performed. Through redundancy through equivalent taps on all three phases, increased availability is achieved. There is an automatic commutation of the load of the electrical system 101 on the parallel-feeding battery modules 107 , There is no additional technical effort for the battery modules of the electrical system supply. In addition, by selectively loading or reloading the battery modules 107 between the drive trains 103 the battery charge of the selected battery modules 107 be used in any ratio between on-board power supply and drive. The supply of the DC-DC converter 113 is also ensured in the recuperation phases. Even when reloading an on-board battery module remains the supply of the DC-DC converter 113 ensured. In addition, no additional switches in the power path are required.

Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.All features explained and shown in connection with individual embodiments of the invention may be provided in different combinations in the article according to the invention, in order to simultaneously realize their advantageous effects.

Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.The scope of the present invention is given by the claims and is not limited by the features illustrated in the specification or shown in the figures.

Claims (10)

Stromnetz (100) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug; mit: einem Bordnetz (101) zum Versorgen von elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs mit einer Gleichspannung; einem Antriebstrang (103), der einen Batteriedirektumrichter (105) mit mehreren schaltbaren Batteriemodulen (107-1, ..., 107-n) aufweist, zum Versorgen eines Elektroantriebs (109) mit einer Wechselspannung; und einer Auskoppeleinrichtung (111-1, ..., 111-n) zum Auskoppeln eines Batteriemoduls (107-1), das mit dem Bordnetz (101) verbunden ist, aus dem Antriebsstrang (103).Power grid ( 100 ) for an electrically driven motor vehicle; with: a vehicle electrical system ( 101 ) for supplying electrical components of the motor vehicle with a DC voltage; a drive train ( 103 ), a battery direct converter ( 105 ) with several switchable battery modules ( 107-1 , ..., 107-n ), for supplying an electric drive ( 109 ) with an alternating voltage; and a decoupling device ( 111-1 , ..., 111-n ) for decoupling a battery module ( 107-1 ) connected to the electrical system ( 101 ), from the drive train ( 103 ). Stromnetz (100) nach Anspruch 1, wobei das auskoppelbare Batteriemodul (107-1) über einen Gleichspannungswandler (113) mit dem Bordnetz (101) verbunden ist.Power grid ( 100 ) according to claim 1, wherein the decoupled battery module ( 107-1 ) via a DC-DC converter ( 113 ) with the electrical system ( 101 ) connected is. Stromnetz (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auskoppeleinrichtung (111-1, ..., 111-n) Dioden oder Halbleiterschalter zum Auskoppeln des Batteriemoduls (107-1) umfasst.Power grid ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the decoupling device ( 111-1 , ..., 111-n ) Diodes or semiconductor switches for decoupling the battery module ( 107-1 ). Stromnetz (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stromnetz (100) mehrere auskoppelbare Batteriemodule (107-1, 107-2) umfasst.Power grid ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the power grid ( 100 ) several decoupled battery modules ( 107-1 . 107-2 ). Stromnetz (100) nach Anspruch 4, wobei die auskoppelbare Batteriemodule (107-1, 107-2) in Serie miteinander verbunden sind.Power grid ( 100 ) according to claim 4, wherein the decoupled battery modules ( 107-1 . 107-2 ) are connected in series. Stromnetz (100) nach Anspruch 4, wobei die auskoppelbare Batteriemodule (107-1, 107-2) parallel zueinander verbunden sind.Power grid ( 100 ) according to claim 4, wherein the decoupled battery modules ( 107-1 . 107-2 ) are connected in parallel to each other. Stromnetz (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stromnetz (100) mehrere Antriebstränge (103) mit jeweils einem auskoppelbaren Batteriemodule (107-1, 107-2) umfasst.Power grid ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the power grid ( 100 ) several drive trains ( 103 ) each with a decoupled battery modules ( 107-1 . 107-2 ). Stromnetz (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die auskoppelbare Batteriemodule (107-1, 107-2) über Transistor-H-Brücken (135) variabel miteinander verschaltbar sind.Power grid ( 100 ) according to one of claims 4 to 7, wherein the decoupled battery modules ( 107-1 . 107-2 ) via transistor H-bridges ( 135 ) are variably interconnected. Verfahren zum Betreiben eines Stromnetzes, mit den Schritten: Versorgen von elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs mit einer Gleichspannung mittels eines Bordnetzes; Versorgen eines Elektroantriebs (109) mit einer Wechselspannung über einen Antriebstrang (103), der einen Batteriedirektumrichter (105) mit mehreren schaltbaren Batteriemodulen (107-1, ..., 107-n) aufweist; und Auskoppeln eines Batteriemoduls (107-1), das mit dem Bordnetz (101) verbunden ist, aus dem Antriebsstrang (103) mittels einer Auskoppeleinrichtung (111-1, ..., 111-n).A method of operating a power grid, comprising the steps of: supplying electrical components of the motor vehicle with a DC voltage by means of a vehicle electrical system; Supplying an electric drive ( 109 ) with an AC voltage via a drive train ( 103 ), a battery direct converter ( 105 ) with several switchable battery modules ( 107-1 , ..., 107-n ) having; and decoupling a battery module ( 107-1 ) connected to the electrical system ( 101 ), from the drive train ( 103 ) by means of a decoupling device ( 111-1 , ..., 111-n ). Verfahren nach Anspruch 9, wobei mehrere Batteriemodule (107-1, 107-2) über Transistor-H-Brücken (135) variabel miteinander verschaltet werden.The method of claim 9, wherein a plurality of battery modules ( 107-1 . 107-2 ) via transistor H-bridges ( 135 ) are interconnected variably.
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