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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Fahrzeuge zur Bereitstellung von Energie, zum Beispiel für die Versorgung eines Fahrzeugbordnetzes, mit Hochvoltbatterien auszustatten. Bislang erfolgt das Laden solcher Hochvoltbatterien über im Fahrzeug fest verbaute Ladegeräte, die im Fachjargon auch Hochsetzsteller oder Aufwärtswandler genannt werden. Hochsetzsteller werden auch dann eingesetzt, wenn die zur Versorgung eines Bordnetzes benötigte Spannung größer ist, als die von der Energiequelle (=Batterie) bereitgestellte Spannung. Durch die Verwendung eines Hochsetzstellers lässt sich also zum Beispiel eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung von 450 Volt DC auf 800 V DC erhöhen.
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Die Verwendung von mehreren Ladegeräten oder Wandlern innerhalb des Fahrzeugs hat jedoch mehrere Nachteile. Zum einen beanspruchen diese Geräte wertvollen Bauraum. Zum anderen generieren diese Geräte durch ihren Betrieb elektrische Verluste und damit thermische Energie. Diese zusätzlich erzeugte Wärme der Hochsetzsteller muss abgeführt werden, um andere fahrzeuginterne Komponenten nicht zu schädigen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Batterie für ein Fahrzeug derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise eine variable Batterieausgangsspannung realisiert werden kann, welche einfach und schnell auf unterschiedliche Energiebedarfe, insbesondere unterschiedliche Spannungslagen von fahrzeuginternen Verbrauchern im Fahrzeugbetrieb und extern angeschlossenen Spannungsquellen und Spannungssenken, angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Batterie nach den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Die Batterie für ein Fahrzeug umfasst ein erstes Batteriemodul, ein zweites Batteriemodul und mindestens zwei Schalteinheiten, wobei die Schalteinheiten derart gesteuert werden, dass das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul wahlweise in Reihe oder parallel elektrisch miteinander verbindbar sind, so dass eine Batterieausgangsspannung variierbar ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch eine wahlweise Verschaltung der einzelnen Batteriemodule die Batterieausgangsspannung einer Batterie für ein Fahrzeug sehr einfach variiert werden kann. Auf diese Weise lässt sich aus einer begrenzten bzw. fest definierten Batterieeingangsspannung auf schnelle Weise eine Batterieausgangsspannung erzeugen, die an einen jeweiligen Energiebedarf einer oder mehrerer Verbraucher im Fahrzeug angepasst ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die flexible Verschaltung von bereits vorhandenen Batteriemodulen in einem Fahrzeug, die Verwendung von zusätzlichen Ladegeräten (=Hochsetzsteller) im Fahrzeug eingespart wird, und damit zugleich auch Gewicht und Bauraum im Fahrzeug.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass teure Ladegeräte im Fahrzeug eingespart werden können und zugleich thermische Verluste innerhalb des Batteriesystems reduziert werden können.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Schalteinheit zwischen dem ersten Batteriemodul und dem zweiten Batteriemodul angeordnet, wobei die zweite Schalteinheit parallel zur ersten Schalteinheit und zum zweiten Batteriemodul angeordnet ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Schalteinheit einen ersten Schalter, und die zweite Schalteinheit einen dritten Schalter, und wobei die Batterie einen zweiten Schalter umfasst, der parallel zu dem ersten Batteriemodul und dem ersten Schalter angeordnet ist, wobei das erste Batteriemodul mit dem zweiten Batteriemodul in Serie geschaltet ist, wenn der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter sowie die zweite Schalteinheit geöffnet ist, und wobei das erste Batteriemodul mit dem zweiten Batteriemodul parallel geschaltet ist, wenn der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Batterie einen Wechselschalter, wobei der Wechselschalter den ersten Schalter und den zweiten Schalter ersetzt. Dies hat den Vorteil, dass ein Schalterbauteil eingespart werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Batterie eine Begrenzereinheit zur Spannungsangleichung zwischen dem ersten Batteriemodul und dem zweiten Batteriemodul, wobei die Begrenzereinheit parallel zu dem dritten Schalter angeordnet ist. Die Begrenzereinheit hat hierbei die Funktion, den Schalt- und Ausgleichsstrom zwischen den beiden Batteriemodulen zu begrenzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Batterie eine Anbindungseinheit zur Aufschaltung der Batterie in einem Kraftfahrzeugsystem, wobei die Anbindungseinheit in Serie zu dem zweiten Batteriemodul angeordnet ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Anbindungseinheit einen vierten Schalter und eine weitere Begrenzereinheit, wobei diese weitere Begrenzereinheit parallel zum vierten Schalter angeordnet ist. Die Begrenzereinheit ist hier notwendig, um die, in der Regel fahrzeugseitig vorhandenen Zwischenkreiskondensatoren, langsam aufzuladen und nicht mit einem übermäßig hohen Strom zu belasten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Batterie einen fünften Schalter, der parallel geschaltet ist zu dem ersten Batteriemodul, dem zweiten Batteriemodul und den beiden Schalteinheiten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Batterie ein Sicherungselement, das zwischen der Anbindungseinheit und dem zweiten Batteriemodul angeordnet ist. Das Sicherungselement soll das Batteriesystem vor zu hohen Strömen, die zum Beispiel in einem Bereich zwischen 2 und 6 kiloAmpere liegen können, absichern. Insbesondere soll das Sicherungselement die Batterie vor zu hohen Kurzschlussströmen schützen, die das Batteriesystem schädigen würden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Batterie ist die Batterie eine Hochvoltbatterie und insbesondere für einen Spannungsbereich von ungefähr 800 Volt bis 1200 Volt ausgelegt. Es sei hierbei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Batterie aber auch für andere Spannungsbereiche und Anwendungsgebiete geeignet ist. Eine Batterie wird ab 60 Volt Spannungsabgabe als Hochvoltbatterie bezeichnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst diese ein Fahrzeug, das mit einer erfindungsgemäßen Batterie ausgestattet ist.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Abbildung einer erfindungsgemäßen Batterie gemäß einer ersten Topologie;
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2 eine schematische Abbildung der erfindungsgemäßen Batterie nach 1 mit einem Wechselschalter.
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1 zeigt eine Batterie 100, umfassend ein erstes Batteriemodul 3 und ein zweites Batteriemodul 4. Zwischen den beiden Batteriemodulen 3, 4 sind zwei Schalteinheiten 5, 6 angeordnet. Die erste Schalteinheit 5 ist zwischen dem ersten Batteriemodul 3 und dem zweiten Batteriemodul 4 angeordnet. Das heißt, ein Ausgang des ersten Batteriemoduls 3 ist mit dem Eingang der ersten Schalteinheit 5 verbunden und der Ausgang der ersten Schalteinheit 5 ist mit dem Eingang des zweiten Batteriemoduls 4 verbunden.
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Die erste Schalteinheit 5 umfasst einen ersten Schalter 7. Die Batterie 100 umfasst weiterhin einen zweiten Schalter 8, der parallel zu dem ersten Batteriemodul 3 und der ersten Schalteinheit 5 bzw. dem ersten Schalter 7 angeordnet ist.
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Die zweite Schalteinheit 6 ist parallel zur ersten Schalteinheit 5 und zu dem zweiten Batteriemodul 4 angeordnet. Die zweite Schalteinheit 6 umfasst einen dritten Schalter 9 und eine Begrenzereinheit 12, wobei ein dritter Schalter 9 parallel zu der Begrenzereinheit 12 geschaltet ist. Die Begrenzereinheit 12 hat die Aufgabe, für die Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls 3 mit dem zweiten Batteriemodul 4, die beiden Spannungen von dem ersten Batteriemodul 3 und dem zweiten Batteriemodul 4 einander anzupassen. Während der Spannungsanpassung ist der Schalter 9 geöffnet und die Begrenzereinheit 12 ist aktiviert.
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Die Begrenzereinheit 12 besteht in der Regel aus einem Widerstand und einer hier nicht dargestellten Schalteinheit. Eine solche Spannungsanpassung kann auch erforderlich sein, damit der in der 1 dargestellte Zwischenkreiskondensator 25, der die Schnittstelle zwischen der Batterieseite und einer Fahrzeugseite bildet, wobei die Fahrzeugseite durch ein Kraftfahrzeugsystem 30 in der 1 und 2 gezeigt ist, nicht durch einen zu hohen Strom von der Batterieseite geschädigt wird und die Spannung am Zwischenkreiskondensator 25 mit einer Geschwindigkeit ansteigt, die diesen nicht schädigt. Nach erfolgter Spannungsanpassung zwischen den beiden Batteriemodulen 3, 4 kann der Schalter 9 geschlossen werden. Im Anschluss wird die die Begrenzereinheit 12 deaktiviert. Die Begrenzereinheit 12 kann alternativ auch parallel zum zweiten Schalter 8 angeordnet werden.
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In den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie 100, wie in der 1 und 2 gezeigt, ist im Pfad der zweiten Schalteinheit 6 optional ein Sicherungselement 22 angeordnet, das zum Beispiel als Schmelzsicherung ausgebildet sein kann. Durch eine entsprechende Ansteuerung der beiden Schalteinheiten 5, 6 und dem Schalter 8 können das erste Batteriemodul 3 und das zweite Batteriemodul 4 wahlweise in Reihe oder parallel elektrisch miteinander verbunden werden, so dass aus einer vorgegebenen Batterieeingangsspannung eine Batterieausgangsspannung 2, die auch allgemein als eine Batteriespannung bezeichnet werden kann, die in Abhängigkeit der Verschaltung der beiden Batteriemodule 3, 4 variierbar ist. Diese Batterieausgangsspannung 2 liegt dann am Zwischenkreiskondensator 25 an. Dies soll im Folgenden näher erläutert werden:
Das erste Batteriemodul 3 ist mit dem zweiten Batteriemodul 4 in Serie geschaltet, wenn der erste Schalter 7 geschlossen und der zweite Schalter 8 sowie die zweite Schalteinheit 6 geöffnet ist.
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Das erste Batteriemodul 3 ist parallel zu dem zweiten Batteriemodul 4 geschaltet, wenn der erste Schalter 7 geöffnet und der zweite Schalter 8 geschlossen ist.
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Die in der 1 und 2 gezeigte Ausführungsform der Batterie 100 umfasst außerdem eine optionale Anbindungseinheit 10, die aus einem vierten Schalter 16 und einer weiteren Begrenzereinheit 19 besteht. Die Begrenzereinheit 19 ist dabei parallel zum vierten Schalter 16 angeordnet. Die Begrenzereinheit 19 kann alternativ auch parallel zum fünften Schalter 17 angeordnet werden. Die Anbindungseinheit 10 wird zur Aufschaltung der Batterieseite an das Kraftfahrzeugsystem 30 der Fahrzeugseite verwendet. Zwischen der Batterieseite und der Fahrzeugseite ist der Zwischenkreiskondensator 25 geschaltet.
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Die Begrenzereinheit 19 ermöglicht die Spannungsanpassung des Fahrzeugs an die Batteriespannung. Eine solche Spannungsanpassung ist erforderlich, damit der in der 1 dargestellte Zwischenkreiskondensator 25, der in der Regel Fahrzeugseitig angeordnet ist, aber auch Batterieintern angeordnet sein kann, nicht durch einen zu hohen Strom von der Batterieseite geschädigt wird und die Spannung am Zwischenkreiskondensator 25 mit einem Gradienten ansteigt, der diesen nicht schädigt.
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Nachdem das erste Batteriemodul 3 mit dem zweiten Batteriemodul 4 wie oben beschrieben in Serie oder parallel geschaltet wurde, stellt die Anbindungseinheit 10 mit der Begrenzereinheit 19 sicher, dass der Zwischenkreiskondensator 25 nicht zu schnell aufgeladen wird, um diesen nicht zu schädigen. Dies erfolgt, wenn der Schalter 16 geöffnet ist. Die Begrenzereinheit 19 besteht auch in diesem Fall aus einem Widerstand und einer nicht dargestellten Schalteinheit, der die Geschwindigkeit des Stromanstiegs des Zwischenkreiskondensators 25 begrenzt. Wenn die Ladung des Zwischenkreiskondensators 25 beendet ist, kann nach Schließen des Schalters 16 die Begrenzereinheit 19 deaktiviert werden.
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Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie gemäß 1 umfasst einen fünften Schalter 17, der parallel geschaltet ist zu dem ersten Batteriemodul 3, dem zweiten Batteriemodul 4 und den zwei Schalteinheiten 5, 6. Alternativ könnte der fünfte Schalter 17 auch seriell zu dem ersten Batteriemodul 3 geschaltet sein. Durch den Schalter 17 wird eine allpolige bzw. 2-polige Abtrennung des Batteriesystems zum Fahrzeug zusammen mit der Anbindungseinheit 10 ermöglicht. Durch die Schließstellung des fünften Schalters 17 wird aber auch sichergestellt, dass bei einer Serienschaltung der beiden Batteriemodule 3, 4 eine Spannung am Zwischenkreiskondensator 25 anliegt. Alternativ kann der fünfte Schalter 17 auch seriell geschaltet sein zu dem ersten Batteriemodul 3, dem wahlweise parallel oder seriell zum ersten Batteriemodul 3 verschalteten zweiten Batteriemodul 4 und der Anbindungseinheit 10.
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Die Anbindungseinheit 10 hat zudem die Aufgabe, die in Serie geschalteten Batteriemodule 3, 4 vor zu hohen Strömen von der Fahrzeugseite zu schützen. Dies erfolgt durch Öffnung des Schalters 16.
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Zwischen den batterieseitigen Modulen, insbesondere dem zweiten Batteriemodul 4 und der Anbindungseinheit 10 ist zusätzlich ein Sicherungselement 20 angeordnet. Das Sicherungselement 20 dient zur Absicherung der Batterieseite zum Fahrzeug, um in einem Fehlerfall, das heißt, bei einem Auftreten von unzulässig hohen Strömen auf der Fahrzeugseite, die Batteriekomponenten nicht zu schädigen. Das Sicherungselement 20 kann zum Beispiel als Schmelzsicherung oder als pyrotechnisches Sicherungselement ausgebildet sein. Das Sicherungselement 20 ist sozusagen eine zweite redundante Sicherungsinstanz innerhalb des Batteriesystems, falls es nicht gelingt, bei einem auftretenden Fehler auf der Fahrzeugseite, den Schalter 16 rechtzeitig zu öffnen, um die Batterie von der Fahrzeugseite zu trennen und die Batterie vor zu hohen Strömen zu schützen.
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Die 2 zeigt eine zweite Schaltungstopologie der erfindungsgemäßen Batterie 100. Diese Schaltungstopologie unterscheidet sich von der Schaltungstopologie der Batterie 100 der 1 darin, dass die Batterie einen Wechselschalter 15 umfasst, der den ersten Schalter 7 und den zweiten Schalter 8 ersetzt.
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Um zum Beispiel das erste Batteriemodul 3 mit dem zweiten Batteriemodul 4 in Serie zu schalten, wird der Wechselschalter 15 von einer Schalterposition COM zu einer ersten Schalterposition L1 geschalten. Um das erste Batteriemodul 3 mit dem zweiten Batteriemodul 4 parallel zu verschalten, wird der Wechselschalter 15 von einer Schalterposition COM zu einer zweiten Schalterposition L2 geschalten. Das Angeleichen der Spannungen zwischen dem ersten Batteriemodul 3 und dem zweiten Batteriemodul 4 bei Parallelschaltung der beiden Batteriemodule 3, 4 erfolgt nach demselben Prinzip wie bereits oben erläutert. Durch die Verwendung des Wechselschalters 15 kann zum Beispiel ein Schalterelement eingespart werden. Außerdem lässt sich auf diese Weise die Verschaltung der einzelnen Batteriemodulen 3, 4 automatisieren, wenn der Wechselschalter 15 zum Beispiel über eine Steuereinheit (nicht dargestellt) betrieben wird. Die Steuereinheit würde dann in Abhängigkeit der im Fahrzeug benötigten Energiebedarfe den Wechselschalter entsprechende Signale zu dessen Schaltung zukommen lassen.
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Um das erste Batteriemodul 3 und das zweite Batteriemodul 4 seriell miteinander elektrisch zu verschalten, wird der Wechselschalter 15 von einer ersten Schalterposition COM zu einer zweiten Schalterposition L1 umgeschaltet. Auch in der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie gemäß der 2 ist zwischen den batterieseitigen Modulen und dem Anbindungselement 10 ein Sicherungselement 20 angeordnet. Die Anbindungseinheit 10 wird, wie bereits oben erwähnt, für die elektrische Aufschaltung bzw. Anbindung der Batterie 100 auf das Fahrzeug bzw. an das Kraftfahrzeugsystem 30 über den Zwischenkreiskondensator 25 verwendet. Alternativ könnte das Sicherungselement 20 aber auch an einer anderen Stelle im Hochvoltkreis positioniert sein, zum Beispiel nach dem fünften Schalter 17 oder zwischen dem ersten Batteriemodul 3 und dem fünften Schalter 17 oder zwischen dem ersten Batteriemodul 3 und der ersten Schalteinheit 5 oder zwischen der ersten Schalteinheit 5 und dem zweiten Batteriemodul 4 oder nach der Anbindungseinheit 10.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batterieausgangsspannung
- 3
- erstes Batteriemodul
- 4
- zweites Batteriemodul
- 5
- erste Schalteinheit
- 6
- zweite Schalteinheit
- 7
- erster Schalter
- 8
- zweiter Schalter
- 9
- dritter Schalter
- 10
- Anbindungseinheit
- 12, 19
- Begrenzereinheit
- 15
- Wechselschalter
- 16
- vierter Schalter
- 17
- fünfter Schalter
- 20, 22
- Sicherungselement
- 25
- Zwischenkreiskondensator
- 30
- Kraftfahrzeugsystem
- 40
- Batterieausgangsspannung
- 100
- Batterie
