DE102016010839A1 - High-voltage battery system for a motor vehicle and method for producing a plurality of operating states - Google Patents

High-voltage battery system for a motor vehicle and method for producing a plurality of operating states Download PDF

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Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Ladungsunterschiede zwischen zwei Energiespeichern (16, 18) auszugleichen. Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatteriesystem (10) für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest teilweise elektrisch betreibbar ist, mit zumindest zwei Energiespeichern (16, 18), welche seriell und parallel miteinander schaltbar sind, und wobei eine Mehrzahl von Betriebszuständen des Hochvoltbatteriesystems (10) herstellbar ist, wobei das Hochvoltbatteriesystem (10) einen Bordlader (32) für zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen (U1, U2) aufweist, wovon jede der Ausgangsspannungen (U1, U2) jeweils für einen der zumindest zwei Energiespeicher (16, 18) bereitgestellt ist, wobei mittels des Bordladers (32) zumindest einer der Betriebszustände des Hochvoltbatteriesystems (10) herstellbar ist.The object of the present invention is to compensate for charge differences between two energy stores (16, 18). The invention relates to a high-voltage battery system (10) for a motor vehicle, which is at least partially electrically operable, with at least two energy stores (16, 18) which can be connected in series and in parallel, and wherein a plurality of operating states of the high-voltage battery system (10) can be produced in which the high-voltage battery system (10) has an on-board charger (32) for at least two separate output voltages (U1, U2), each of the output voltages (U1, U2) being provided for each of the at least two energy stores (16, 18), wherein the on-board charger (32) of at least one of the operating states of the high-voltage battery system (10) can be produced.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltbatteriesystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Betriebszuständen in einem Hochvoltbatteriesystem gemäß dem Patentanspruch 7.The invention relates to a high-voltage battery system for a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1 and to a method for producing a plurality of operating states in a high-voltage battery system according to patent claim 7.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Hochvoltbatteriesysteme mit zumindest zwei Energiespeichern bekannt. Die US 2015/0002095 A1 beschreibt ein elektrisches Speichersystem, welches eine Mehrzahl an DC-Bussen aufweist sowie mehrere Energiespeicher, die in Serie geschaltet sind und zum Laden und Entladen geeignet sind. Die Anzahl der DC-Busse ist dabei größer als die Anzahl der Energiespeicher. Die Energiespeicher weisen einen jeweiligen Schalter auf, welcher in Serie mit dem Energiespeicher geschaltet ist. Des Weiteren sind die Schalter mit den DC-Bussen verschaltet und können mittels des Schalters zwischen den DC-Bussen herschalten. Die Energie der Energiespeicher kann an eine Verbraucherstelle geleitet werden. Des Weiteren ist ein Spannungsdetektor offenbart, welcher eine Spannung der jeweiligen Energiespeicher detektiert. Eine Kontrolleinheit schaltet die Schalter entsprechend einer detektierten Spannung des Spannungsdetektors.High-voltage battery systems with at least two energy stores are already known from the prior art. The US 2015/0002095 A1 describes an electrical storage system having a plurality of DC buses and a plurality of energy storage devices, which are connected in series and are suitable for charging and discharging. The number of DC buses is greater than the number of energy storage. The energy storage devices have a respective switch, which is connected in series with the energy store. Furthermore, the switches are interconnected with the DC buses and can switch between the DC buses by means of the switch. The energy of the energy storage can be directed to a consumer point. Furthermore, a voltage detector is disclosed which detects a voltage of the respective energy store. A control unit switches the switches according to a detected voltage of the voltage detector.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochvoltbatteriesystem der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass Ladungsunterschiede zwischen den zumindest zwei Energiespeichern ausgeglichen werden können.Object of the present invention is to develop a high-voltage battery system of the type mentioned in such a way that charge differences between the at least two energy storage can be compensated.

Diese Aufgabe wird durch ein Hochvoltbatteriesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Betriebszuständen gemäß dem Patentanspruch 7 ermöglicht.This object is made possible by a high-voltage battery system having the features of patent claim 1 and by a method for producing a plurality of operating states according to patent claim 7.

Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um ein Hochvoltbatteriesystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass Ladungsunterschiede zwischen den zumindest zwei Energiespeichern ausgeglichen werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Hochvoltbatteriesystem einen Bordlader für zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen aufweist, wovon jede der Ausgangsspannungen jeweils für einen der zumindest zwei Energiespeicher bereitgestellt ist, wobei mittels des Bordladers zumindest einer der Betriebszustände des Hochvoltbatteriesystems herstellbar ist. In dem Hochvoltbatteriesystem können die Teilstränge unterschiedlich geladen sein und unterschiedliche Spannungen aufweisen. Die Folge wären unkontrollierbare Ausgleichsströme, was zu Energieverlusten (Wärme), Alterung der Bauteile oder sogar zur Zerstörung der Bauteile führen würde. Insbesondere Relais wären von den unkontrollierbaren Ausgleichsströmen besonders betroffen. Das im Laufe der Zeit entstehende Ungleichgewicht der Ladungszustände beziehungsweise der Spannungen der zumindest zwei Energiespeicher kann erfindungsgemäß über den Bordlader, welcher insbesondere zweiphasig ausgebildet sein kann, ausgeglichen werden. Der Umladestrom ist jederzeit regelbar. Eine galvanische Trennung der beiden Teilbordnetze ist jederzeit gewährleistet. Somit können Umladeströme zum Batteriebalancing jederzeit kontrolliert geregelt werden und, wenn nötig, auch gestoppt werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass ein Mehraufwand aufgrund des Bordladers nicht entsteht, da der Bordlader, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, als zweiphasiger Lader für zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen bereits entwickelt ist.In order to develop a high-voltage battery system in the preamble of claim 1 and a method specified in the preamble of claim 7 such that charge differences between the at least two energy storage can be compensated, it is inventively provided that the high-voltage battery system has an on-board charger for at least two separate output voltages of which each of the output voltages is provided in each case for one of the at least two energy stores, wherein at least one of the operating states of the high-voltage battery system can be produced by means of the on-board charger. In the high voltage battery system, the sub-strings may be charged differently and have different voltages. The consequence would be uncontrollable balancing currents, which would lead to energy losses (heat), aging of the components or even destruction of the components. In particular relays would be particularly affected by the uncontrollable balancing currents. The resulting over time imbalance of the charge states or the voltages of the at least two energy storage devices can be compensated according to the invention via the on-board charger, which may be in particular two-phase. The recharging current can be regulated at any time. A galvanic separation of the two sub-networks is guaranteed at all times. Thus, recharge currents for battery balancing can be controlled at any time and, if necessary, also stopped. It is furthermore advantageous that an additional expenditure due to the on-board loader does not arise since the on-board loader, as already known from the prior art, has already been developed as a two-phase supercharger for at least two separate output voltages.

Mittels des erfindungsgemäßen Hochvoltbatteriesystems kann auf komplizierte Verschaltungen beispielsweise beim Elektromotor verzichtet werden. Beispielsweise wird derzeit zum Ausgleich der Ströme ein Elektromotor mit mehr als einem Drehstromsystem verwendet (zum Beispiel zwei getrennte Dreiphasensysteme). Diese werden von getrennten Invertern betrieben und können sowohl im Stern als auch im Dreieck verschaltet werden. Auch eine Kombination aus Stern/Dreieck ist möglich. Die Gleichspannungsversorgung der Inverter erfolgt jeweils über Teilabgriffe des Hochvoltbatteriesystems. Somit kann beispielsweise bei einem 800-Volt-Batteriesystem und einem 2 × 3-Phasen-Motor der eine Inverter mit den unteren 400 Volt (0 bis 400 Volt) und der andere mit den oberen 400 Volt (400 bis 800 Volt) versorgt werden. Somit können jeweils Halbleiter mit einer geringeren Sperrfestigkeit gegenüber einem Betrieb an 800 Volt verwendet werden. Über den Stator des Motors kann die Energie von der einen Spannungsebene in die andere übertragen werden. Durch die Wahl des Windungszahlverhältnisses zwischen den beiden Drehstromsystemen und der Schaltungsart (Stern/Dreieck) kann die Gesamtspannung auch in einem anderen Verhältnis aufgeteilt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Elektromotor sehr kompliziert aufgebaut sein muss beziehungsweise dass bei einem Defekt der gesamte Elektromotor ausgetauscht werden muss, was zu erhöhten Kosten führen kann.By means of the high-voltage battery system according to the invention can be dispensed with complicated interconnections, for example, the electric motor. For example, an electric motor with more than one three-phase system is currently used to equalize the currents (for example, two separate three-phase systems). These are operated by separate inverters and can be connected both in the star and in the delta. Also a combination of star / triangle is possible. The DC voltage supply of the inverter takes place via partial taps of the high-voltage battery system. Thus, for example, in an 800 volt battery system and a 2 x 3 phase motor, one inverter may be supplied with the lower 400 volt (0 to 400 volt) and the other with the upper 400 volt (400 to 800 volt). Thus, each semiconductor with a lower blocking resistance can be used against operation at 800 volts. Via the stator of the motor, the energy can be transferred from one voltage level to the other. By choosing the turns ratio between the two three-phase systems and the circuit type (star / delta), the total voltage can also be split in a different ratio. However, this has the disadvantage that the electric motor must be constructed very complicated or that in case of a defect, the entire electric motor must be replaced, which can lead to increased costs.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Hochvoltbatteriesystems weist das Hochvoltbatteriesystem genau zwei Energiespeicher und einen Bordlader mit genau zwei Ausgangsspannungen auf. Dies hat den Vorteil, dass bei derzeitigen Hochvoltbatteriesystemen in Kraftfahrzeugen diese mit jeweils unterschiedlichen Betriebszuständen geladen werden beziehungsweise ein Betriebszustand beispielsweise der Fahrbetrieb ist. Mittels der genau zwei Energiespeicher ist es beispielsweise möglich, dass ein Laden mit einer höheren Spannung durchgeführt werden kann, wobei die Spannungen auf die einzelnen Energiespeicher aufgeteilt werden können. Somit ist es sinnvoll, dass der Bordlader ebenfalls genau zwei Ausgangsspannungen für die jeweiligen Energiespeicher aufweist.According to an advantageous embodiment of the high-voltage battery system, the high-voltage battery system on exactly two energy storage and a on-board charger with exactly two output voltages. This has the advantage that in current high-voltage battery systems in motor vehicles this each loaded with different operating conditions or an operating state, for example, the driving is. By means of the exactly two energy stores, it is possible, for example, that charging can be carried out with a higher voltage, it being possible to divide the voltages between the individual energy stores. Thus, it makes sense that the on-board charger also has exactly two output voltages for the respective energy storage.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform können die zwei Energiespeicher mittels genau eines Schalters miteinander elektrisch gekoppelt sein. Mittels des genau einen Schalters ist eine Serienschaltung der genau zwei Energiespeicher möglich, wodurch ein weiterer Betriebszustand des gesamten Hochvoltbatteriesystems herstellbar ist.According to a further advantageous embodiment, the two energy stores can be electrically coupled to each other by means of exactly one switch. By means of exactly one switch, a series connection of exactly two energy storage is possible, whereby a further operating state of the entire high-voltage battery system can be produced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform können jeweilige Anschlüsse bereitgestellt werden, über die die zumindest zwei Energiespeicher mit einer Gleichspannung oder mit einer Wechselspannung aufladbar sind. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Optionen zum Aufladen der zumindest zwei Energiespeicher bereitgestellt werden können. Beispielsweise können so mit einer Gleichspannung aus einer Aufladesäule die zumindest zwei Energiespeicher aufgeladen werden beziehungsweise ist ebenfalls ein Aufladen aus einer haushaltsüblichen Wechselstromsteckdose möglich.In a further advantageous embodiment, respective terminals can be provided, via which the at least two energy stores can be charged with a DC voltage or with an AC voltage. This has the advantage that several options for charging the at least two energy stores can be provided. For example, can be charged with a DC voltage from a Aufladesäule the at least two energy storage or is also a charge from a household standard AC power outlet possible.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform werden weitere jeweilige Anschlüsse bereitgestellt, über die die zumindest zwei Energiespeicher mit zumindest zwei in der Spannung unterschiedlichen Gleichspannungen aufladbar sind. Es hat sich erwiesen, dass beispielsweise Energiespeicher in Kraftfahrzeugen eine Spannung von jeweils 400 Volt aufweisen. Mit dem Bereitstellen der weiteren Anschlüsse kann beispielsweise ein Laden mit 800 Volt (doppelte Spannung der Energiespeicher) zur Verfügung gestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Hochvoltbatteriesystem schneller geladen werden kann. Somit kann ein weiterer Betriebszustand über das erfindungsgemäße Hochvoltbatteriesystem bereitgestellt werden. Dies steigert die Flexibilität beim Aufladevorgang.In a further advantageous embodiment, further respective connections are provided, via which the at least two energy stores can be charged with at least two DC voltages which are different in voltage. It has been found that, for example, energy stores in motor vehicles have a voltage of 400 volts each. By providing the further connections, charging with 800 volts (double voltage of the energy storage devices) can be provided, for example. This has the advantage that the high-voltage battery system can be charged faster. Thus, a further operating state can be provided via the high-voltage battery system according to the invention. This increases the flexibility during the charging process.

Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eine der Mehrzahl der Betriebszustände ein Fahrbetrieb und zumindest einer der Mehrzahl der Betriebszustände ein Aufladebetrieb ist. Insbesondere können es drei Aufladebetriebe sein. Bei den unterschiedlichen Betriebszuständen kann es vorkommen, dass Ladungsunterschiede zwischen den beiden Energiespeichern auftauchen und ausgeglichen werden müssen. Beispielsweise kann bei einem Umschalten von einem 800-Volt-Lademodus (zwei Energiespeicher des Hochvoltbatteriesystems in Reihe geschaltet) zum 400-Volt-Fahrmodus (Energiespeicher werden parallelgeschaltet) können die Energiespeicher unterschiedlich geladen sein und unterschiedliche Spannungen aufweisen. Unkontrollierbare Ausgleichsströme wären die Folge, was zu Energieverlusten (Wärme), Alterung der Bauteile oder gar zur Zerstörung der Bauteile führen würde. Die im Laufe der Zeit entstehenden Ungleichgewichte bei der Mehrzahl der Betriebszustände können ausgeglichen werden. Bei den Betriebszuständen kann es sich insbesondere um ein 800-Volt-Gleichstromladen handeln beziehungsweise um ein 400-Volt-Gleichstromladen handeln, beziehungsweise um ein 400-Wechselstromladen beziehungsweise um einen Fahrbetrieb.It has also proved to be advantageous if at least one of the plurality of operating states is a driving operation and at least one of the plurality of operating states is a charging operation. In particular, it can be three charging stations. In the different operating conditions, it may happen that differences in charge between the two energy storage must occur and must be compensated. For example, when switching from an 800-volt charging mode (two energy storage devices of the high-voltage battery system connected in series) to the 400-volt driving mode (energy storage devices are connected in parallel), the energy stores can be charged differently and have different voltages. Uncontrollable equalizing currents would be the result, which would lead to energy losses (heat), aging of the components or even to the destruction of the components. The imbalances that arise over time in the majority of operating states can be compensated. In particular, the operating states may be an 800-volt DC charging or a 400-volt DC charging, or a 400-AC charging or a driving operation.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Betriebszuständen in einem Hochvoltbatteriesystem mit zumindest zwei Batteriespeichern eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest teilweise elektrisch betrieben wird, wobei mittels eines Bordladers, der mit den zumindest zwei Energiespeichern gekoppelt ist, zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen erzeugt werden, sodass zumindest eine der Mehrzahl der Betriebszustände hergestellt wird.The invention also relates to a method for producing a plurality of operating states in a high-voltage battery system having at least two battery stores of a motor vehicle which is operated at least partially electrically, wherein at least two separate output voltages are generated by means of an on-board charger which is coupled to the at least two energy stores, so that at least one of the plurality of operating conditions is established.

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 den Figuren 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltbatteriesystems; 1 a schematic representation of an embodiment of a high-voltage battery system according to the invention;

2 das erfindungsgemäße Hochvoltbatteriesystem in einem ersten Betriebszustand; 2 the high-voltage battery system according to the invention in a first operating state;

3 das erfindungsgemäße Hochvoltbatteriesystem in einem zweiten Betriebszustand; 3 the high-voltage battery system according to the invention in a second operating state;

4 das erfindungsgemäße Hochvoltbatteriesystem in einem dritten Betriebszustand; und 4 the high-voltage battery system according to the invention in a third operating state; and

5 das erfindungsgemäße Hochvoltbatteriesystem in einem vierten Betriebszustand. 5 the high-voltage battery system according to the invention in a fourth operating state.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, identical or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltbatteriesystems 10. Das Hochvoltbatteriesystem 10 kann dabei eine Mehrzahl an Teilsträngen 12, 14 aufweisen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Hochvoltbatteriesystem 10 einen ersten Teilstrang 12 und einen zweiten Teilstrang 14 auf. Der Teilstrang 12 weist weiterhin einen ersten Energiespeicher 16 auf. Der Teilstrang 14 weist einen zweiten Energiespeicher 18 auf. Des Weiteren können die jeweiligen Teilstränge 12, 14 jeweilige Nebenaggregate 20, 22 aufweisen. Bei den Nebenaggregaten 20, 22 kann es sich insbesondere um Verbraucher handeln, die beispielsweise nicht direkt zum Fahrbetrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Nebenaggregate mit 400 Volt betreibbar sind. Dies hat den technischen Hintergrund, dass im Kraftfahrzeug verbaute bordeigene Netze meistens mit einer 400 Volt Spannungsebene arbeiten. Des Weiteren stellen in diesem Beispiel der erste Energiespeicher 16 sowie der zweite Energiespeicher 18 eine Gleichspannung von 400 Volt bereit. Es ist selbstverständlich, dass es sich bei den 400 Volt lediglich um ein Beispiel handelt. Dies dient lediglich der Darstellung der Erfindung. Es sind selbstverständlich weitere Spannungsebenen beziehungsweise Spannungen innerhalb der Teilstränge 12, 14 möglich. 1 shows an embodiment of a high-voltage battery system according to the invention 10 , The high-voltage battery system 10 can be a plurality of sub-strands 12 . 14 exhibit. In the in 1 illustrated embodiment, the high-voltage battery system 10 a first substrand 12 and a second sub-string 14 on. The substring 12 also has a first energy storage 16 on. The substring 14 has a second energy storage 18 on. Furthermore, the respective sub-strands 12 . 14 respective ancillaries 20 . 22 exhibit. At the ancillaries 20 . 22 they may in particular be consumers who, for example, do not directly serve to drive a motor vehicle, not shown. In particular, it can be provided that the ancillaries are operable with 400 volts. This has the technical background that built in the motor vehicle on-board networks usually work with a 400 volt voltage level. Furthermore, in this example, the first energy storage 16 as well as the second energy storage 18 a DC voltage of 400 volts ready. It goes without saying that the 400 Volt is just an example. This is merely illustrative of the invention. There are, of course, other voltage levels or voltages within the sub-strands 12 . 14 possible.

Mittels des ersten Energiespeichers 16 wird also eine erste Spannung U1 bereitgestellt und mittels des zweiten Energiespeichers 18 eine zweite Spannung U2 bereitgestellt. Die Spannungen U1 und U2 werden auch als Ausgangsspannungen U1, U2 bezeichnet. Des Weiteren können in den Teilstränge 12, 14 Kondensatoren 24, 26 beziehungsweise Halbleiter bereitgestellt werden, wodurch beispielsweise eine Steuerung einer elektrische Maschine 28, 30 durchgeführt werden kann. Es soll hierbei noch klargestellt werden, dass in dem Hochvoltbatteriesystem 10 die zweite elektrische Maschine 30 beziehungsweise das zweite Nebenaggregat 22 optional sind. Ebenfalls möglich ist, dass in einer umgekehrten Reihenfolge die elektrische Maschine 28 beziehungsweise das erste Nebenaggregat 20 optional sind.By means of the first energy storage 16 Thus, a first voltage U 1 is provided and by means of the second energy store 18 provided a second voltage U 2 . The voltages U 1 and U 2 are also referred to as output voltages U 1 , U 2 . Furthermore, in the sub-strands 12 . 14 capacitors 24 . 26 or semiconductors are provided, whereby, for example, a control of an electric machine 28 . 30 can be carried out. It should be clarified here that in the high-voltage battery system 10 the second electric machine 30 or the second accessory 22 optional. It is also possible that in an inverse order the electric machine 28 or the first accessory 20 optional.

Die jeweiligen Teilstränge 12, 14 sind mit einem Bordlader 32 verbunden. Der Bordlader 32 wiederum weist einen Spannungswandler 34 auf, welcher insbesondere einen Filter zur Glättung einer Wechselspannung UAC aufweist sowie einen Leistungskorrekturfaktor. Der Spannungswandler 34 kann dabei insbesondere mit der Wechselspannung UAC gespeist werden. Des Weiteren weist der Bordlader 32 einen ersten DC/DC-Wandler 36 sowie einen zweiten DC/DC-Wandler 38 auf. Die beiden DC/DC-Wandler 36, 38 sind dabei insbesondere isolierend aufgebaut. Somit sind die Teilstränge 12, 14 von dem Bordlader 32 galvanisch getrennt.The respective partial strands 12 . 14 are with a on-board loader 32 connected. The on-board loader 32 again has a voltage transformer 34 which in particular has a filter for smoothing an AC voltage U AC and a power correction factor. The voltage converter 34 can be fed in particular with the AC voltage U AC . Furthermore, the on-board loader 32 a first DC / DC converter 36 and a second DC / DC converter 38 on. The two DC / DC converters 36 . 38 are constructed in particular insulating. Thus, the partial strands 12 . 14 from the on-board loader 32 galvanically isolated.

Des Weiteren weist das Hochvoltbatteriesystem 10 eine Mehrzahl an Anschlüssen 40, 42, 44, 46, 48, 50 auf, über welche die Energiespeicher 16, 28 aufladbar sind. Beispielsweise können mit einer Spannung U3, welche insbesondere der doppelten Spannung von U1 beziehungsweise von U2 beziehungsweise der Summe der Spannungen U1 + U2 entspricht, die Energiespeicher 16, 18 geladen werden. Des Weiteren weist das in 1 dargestellte Hochvoltbatteriesystem 10 einen Schalter 52 auf, mittels welchem die zwei Energiespeicher 16, 18 in Serie geschaltet werden könnrn.Furthermore, the high-voltage battery system 10 a plurality of connections 40 . 42 . 44 . 46 . 48 . 50 on, over which the energy storage 16 . 28 are rechargeable. For example, with a voltage U 3 , which in particular corresponds to twice the voltage of U 1 or U 2 or the sum of the voltages U 1 + U 2 , the energy storage 16 . 18 getting charged. Furthermore, the in 1 illustrated high-voltage battery system 10 a switch 52 on, by means of which the two energy storage 16 . 18 can be connected in series.

2 zeigt das aus 1 bekannte Hochvoltbatteriesystem 10 in einem ersten Betriebszustand. Der in 2 dargestellte Betriebszustand kann hierbei insbesondere ein Laden der Energiespeicher 16, 18 mit der Ladespannung U3 sein. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen kann es sich hierbei beispielsweise um eine 800-Volt-Gleichspannung handeln. Der Schalter 52 ist dabei geschlossen. Somit sind die Energiespeicher 16 und 18 in Reihe geschaltet. Beispielsweise kann über die Anschlüsse 48, 50 die Spannung U3 in das Hochvoltbatteriesystem 10 eingespeist werden. Über die Pfeile 54 ist schematisch der Hauptladestrom dargestellt. Dieser fließt von dem Anschluss 48 über den ersten Energiespeicher 16 über den Schalter 52 über den zweiten Energiespeicher 18 hin zum Anschluss 50. Die Spannung U3 entspricht dabei insbesondere den jeweiligen doppelten Spannungen U1 beziehungsweise U2 beziehungsweise der Summe der Einzelspannungen aus U1 und U2. Da die Spannung U1 und die Spannung U2 unterschiedlich sein können, beispielsweise aufgrund der Alterung des ersten Energiespeichers 16 beziehungsweise des zweiten Energiespeichers 16 können über den Bordlader 32 Ausgleichsströme 56 (ebenfalls durch Pfeile dargestellt) fließen. Dies wird durch eine magnetische Leistungsübertragung 58 innerhalb des Bordladers 32 gewährleistet. Die Ausgleichsströme 56 werden auch als Balancing-Ströme bezeichnet. 2 shows that off 1 known high-voltage battery system 10 in a first operating state. The in 2 shown operating state can in this case in particular a loading of the energy storage 16 . 18 be with the charging voltage U 3 . In particular, in the case of motor vehicles, this may be, for example, an 800 volt DC voltage. The desk 52 is closed. Thus, the energy storage 16 and 18 connected in series. For example, via the connectors 48 . 50 the voltage U 3 in the high-voltage battery system 10 be fed. About the arrows 54 schematically the main charging current is shown. This flows from the connection 48 over the first energy storage 16 over the switch 52 over the second energy storage 18 towards the connection 50 , The voltage U 3 corresponds in particular to the respective double voltages U 1 or U 2 or the sum of the individual voltages from U 1 and U 2 . Since the voltage U 1 and the voltage U 2 may be different, for example due to the aging of the first energy storage 16 or the second energy store 16 can via the on-board loader 32 equalizing currents 56 (also shown by arrows) flow. This is done by a magnetic power transmission 58 within the on-board loader 32 guaranteed. The equalizing currents 56 are also called balancing streams.

3 zeigt einen weiteren Betriebszustand des erfindungsgemäßen Hochvoltbatteriesystems 10. Bei diesem Betriebszustand handelt es sich insbesondere um einen Aufladebetrieb, mittels welchem mit der Wechselspannung UAC das Hochvoltbatteriesystem 10 betrieben wird. Über die Wechselstromanschlüsse 51a bis c kann dabei insbesondere der dreiphasige Wechselspannung UAC in den Bordlader 32 eingespeist werden. Der Spannungswandler 34 wandelt die Wechselspannung UAC in eine jeweilige Gleichspannung um, welche durch den ersten und zweiten DC/DC-Wandler 36, 38 in eine jeweilige Ausgangsspannung gewandelt wird. Die jeweilige Ausgangsspannung wird über den ersten DC/DC-Wandler 36 den Pfeilen 54 des Hauptladestroms folgend an den ersten Energiespeicher 16 weitergegeben und lädt den ersten Energiespeicher 16 somit auf. Analoges geschieht mit dem zweiten DC/DC-Wandler 38 und dem zweiten Energiespeicher 16. Der Schalter 52 ist in 3 geöffnet. 3 shows a further operating state of the high-voltage battery system according to the invention 10 , In this operating state is in particular a charging operation, by means of which with the AC voltage U AC, the high-voltage battery system 10 is operated. About the AC power connections 51a Up to c can in particular the three-phase AC voltage U AC in the on-board loader 32 be fed. The voltage converter 34 converts the AC voltage U AC into a respective DC voltage provided by the first and second DC / DC converters 36 . 38 is converted into a respective output voltage. The respective Output voltage is via the first DC / DC converter 36 the arrows 54 the main charging current following the first energy storage 16 passed and loads the first energy storage 16 thus up. The same happens with the second DC / DC converter 38 and the second energy storage 16 , The desk 52 is in 3 open.

4 zeigt das Hochvoltbatteriesystem 10 in einem weiteren Betriebszustand. Hierbei wird das Hochvoltbatteriesystem 10 beispielsweise mit der Spannung U2 geladen. Beispielsweise kann hierzu an den Anschlüssen 46, 48 die entsprechende Spannung U2 eingespeist werden. Insbesondere kann es sich hierbei um 400 Volt Gleichspannung handeln. Über die Pfeile 54 ist der Hauptladestrom angezeigt. Der Hauptladestrom fließt dabei bei geschlossenem Schalter 52 beispielsweise vom Anschluss 46 über den zweiten Energiespeicher 18 und lädt den zweiten Energiespeicher 18. Von dort geht er zu dem zweiten Anschluss 48. Vom Anschluss 46 kann weiterhin die Spannung U2 über den zweiten DC/DC-Wandler 38 ebenfalls zum Anschluss 48 gelangen. Im zweiten DC/DC-Wandler 38 kann über die magnetische Leistungsübertragung 58 Energie an den ersten DC/DC-Wandler 36 übertragen werden, sodass dieser über die Pfeile 54 des Hauptladestroms den ersten Energiespeicher 16 aufladen kann. Auf analoge Weise kann selbstverständlich auch der erste Teilstrang 12 angeschlossen werden und somit der zweite Teilstrang 14 geladen werden. 4 shows the high-voltage battery system 10 in a further operating state. Here is the high-voltage battery system 10 for example, charged with the voltage U 2 . For example, this can be done at the terminals 46 . 48 the corresponding voltage U 2 are fed. In particular, this can be 400 volts DC. About the arrows 54 the main charging current is indicated. The main charging current flows when the switch is closed 52 for example, from the connection 46 over the second energy storage 18 and loads the second energy store 18 , From there he goes to the second port 48 , From the connection 46 can continue the voltage U 2 via the second DC / DC converter 38 also for connection 48 reach. In the second DC / DC converter 38 can via the magnetic power transmission 58 Energy to the first DC / DC converter 36 be transferred so that this over the arrows 54 the main charging current, the first energy storage 16 can charge. In an analogous way, of course, the first sub-string 12 be connected and thus the second sub-string 14 getting charged.

5 zeigt das Hochvoltbatteriesystem 10 in einem weiteren Betriebszustand. Bei dem in 5 dargestellten Betriebszustand handelt es sich insbesondere um den Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs. Beim Fahrbetrieb werden insbesondere die elektrischen Maschinen 28 und 30 mit den entsprechenden Spannungen U1 beziehungsweise U2 betrieben. Anhand des Teilstrangs 12 wird nun der Fahrbetrieb erläutert. Energie aus dem ersten Energiespeicher 16 wird zur Verfügung gestellt. Über die Pfeile 54 wird der Hauptladestrom für die erste elektrische Maschine 28 bereitgestellt. Es wird ebenfalls elektrische Energie für das erste Nebenaggregat 20 bereitgestellt. Über den ersten DC/DC-Wandler 36 können nun Ausgleichsströme 56 fließen. Diese wiederum werden mittels der magnetischen Leistungsübertragung 58 an den zweiten Teilstrang 14 abgegeben. Somit kann sichergestellt werden, dass die Spannungen innerhalb der Teilstränge 12, 14 nahezu gleich sind und somit die Lebensdauer des Hochvoltbatteriesystems 10 verlängert werden kann. 5 shows the high-voltage battery system 10 in a further operating state. At the in 5 shown operating state is in particular the driving operation of a motor vehicle. When driving, especially the electrical machines 28 and 30 operated with the corresponding voltages U 1 and U 2 . Based on the substring 12 Now the driving is explained. Energy from the first energy store 16 will be provided. About the arrows 54 becomes the main charging current for the first electric machine 28 provided. It also gets electrical energy for the first accessory 20 provided. About the first DC / DC converter 36 can now equalizing currents 56 flow. These in turn will be by means of magnetic power transmission 58 to the second branch 14 issued. Thus it can be ensured that the stresses within the substrands 12 . 14 are almost the same and thus the life of the high-voltage battery system 10 can be extended.

Durch das erfindungsgemäße Hochvoltbatteriesystem 10 ist es somit möglich, mit wesentlich weniger Schaltern/Schützen ein 800-Volt-Netz zu betreiben. Des Weiteren können unkontrollierbare Ausgleichsströme beim 400-Volt-Betrieb (Fahren, 400-Volt-DC-Laden, AC-Laden) vermieden werden. Die Umladeströme zum Batterie-Balancing können jederzeit kontrolliert geregelt werden und, wenn nötig, auch gestoppt werden. Es entstehen zwei HV-Teilsysteme mit jeweils 400 Volt Betriebsspannung. Ein isolierender DC/DC-Wandler von 800 Volt auf 400 Volt wird überflüssig, wie er im Stand der Technik derzeit verbaut wird. Es entsteht dabei kein Mehraufwand im AC-Lader, da der Lader schon jetzt als zweiphasiger Lader entwickelt wird. In den Modi „Fahrbetrieb”, „400-Volt-DC-Laden” und „AC-Laden” werden die Energiespeicher 16, 18 über einen Schalter 52 getrennt. Das im Laufe der Zeit entstehende Ungleichgewicht der Ladungszustände beziehungsweise Spannungen der beiden Teilstränge 12, 14 wird über den Bordlader 32, welcher insbesondere ein zweiphasiger Bordlader 32 sein kann, ausgeglichen. Eine galvanische Trennung der beiden Teilstränge 12, 14 ist dadurch jederzeit gewährleistet. Durch eine Ladung mit beispielsweise 800 Volt kann eine erhöhte Ladeleistung durchgeführt werden. Es ist weiterhin möglich, mit 400 Volt das System zu betreiben (Infrastrukturunabhängigkeit). Des Weiteren sind bis auf die Ladekomponenten keine Änderungen an den Komponenten des Hochvoltbatteriesystems 10, insbesondere des Bordnetzes, nötig. Die Schützmatrix, um die Stränge der Batterie in Abhängigkeit der Use-Cases zu schalten, entfällt bei der vorliegenden Erfindung. Diese Schützmatrix ist nur notwendig für den Fall, dass mit 800 Volt DC-Spannung geladen wird. Die elektrische Potentialtrennung, welche durch die Schützmatrix gegeben wird, entfällt im erfindungsgemäßen Hochvoltbatteriesystem 10. Somit kann der potentialtrennende DC/DC-Wandler eingespart werden.By the high-voltage battery system according to the invention 10 Thus, it is possible to operate an 800-volt network with much fewer switches / contactors. Furthermore, uncontrollable equalizing currents can be avoided in 400-volt operation (driving, 400-volt DC charging, AC charging). The recharge currents for battery balancing can be controlled at any time and, if necessary, stopped. The result is two HV subsystems, each with 400 volts operating voltage. An insulating DC / DC converter from 800 volts to 400 volts is unnecessary, as it is currently installed in the prior art. There is no additional effort in the AC charger as the charger is already being developed as a two-phase charger. In the modes "driving mode", "400-volt DC charging" and "AC charging" are the energy storage 16 . 18 via a switch 52 separated. The resulting over time imbalance of the charge states or voltages of the two sub-strands 12 . 14 is about the on-board loader 32 , which in particular a two-phase on-board loader 32 can be balanced. A galvanic separation of the two partial strands 12 . 14 is guaranteed at any time. By a charge of, for example, 800 volts, an increased charging power can be performed. It is still possible to operate the system with 400 volts (infrastructure independence). Furthermore, apart from the charging components, there are no changes to the components of the high-voltage battery system 10 , in particular the electrical system, necessary. The contactor matrix to switch the strands of the battery depending on the use cases, is omitted in the present invention. This contactor matrix is only necessary in the event that is charged with 800 volts DC voltage. The electric potential separation, which is given by the contactor matrix, is eliminated in the high-voltage battery system according to the invention 10 , Thus, the potential-separating DC / DC converter can be saved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
HochvoltbatteriesystemHigh-voltage battery system
1212
erster Teilstrangfirst substrand
1414
zweiter Teilstrangsecond substrand
1616
erster Energiespeicherfirst energy store
1818
zweiter Energiespeichersecond energy store
2020
erstes Nebenaggregatfirst accessory
2222
zweites Nebenaggregatsecond accessory
2424
erster Kondensatorfirst capacitor
2626
zweiter Kondensatorsecond capacitor
2828
erste elektrische Maschinefirst electric machine
3030
zweite elektrische Maschinesecond electric machine
3232
Bordladerboard charger
3434
SpannungswandlerDC converter
3636
erster DC/DC-Wandlerfirst DC / DC converter
3838
zweiter DC/DC-Wandlersecond DC / DC converter
4040
Anschlussconnection
4242
Anschlussconnection
4444
Anschlussconnection
4646
Anschlussconnection
4848
Anschlussconnection
5050
Anschlussconnection
51a51a
WechselstromanschlussAC connection
51b51b
WechselstromanschlussAC connection
51c 51c
WechselstromanschlussAC connection
5252
Schalterswitch
5454
Pfeilarrow
5656
Ausgleichsstromtransient
5858
magnetische Leistungsübertragungmagnetic power transmission
U1 U 1
erste Spannungfirst tension
U2 U 2
zweite Spannungsecond tension
U3 U 3
dritte Spannungthird tension
UAC U AC
WechselspannungAC

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2015/0002095 A1 [0002] US 2015/0002095 A1 [0002]

Claims (7)

Hochvoltbatteriesystem (10) für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest teilweise elektrisch betreibbar ist, mit zumindest zwei Energiespeichern (16, 18), welche seriell und parallel miteinander schaltbar sind, und wobei eine Mehrzahl von Betriebszuständen des Hochvoltbatteriesystems (10) herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvoltbatteriesystem (10) einen Bordlader (32) für zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen (U1 , U2) aufweist, wovon jede der Ausgangsspannungen (U1, U2) jeweils für einen der zumindest zwei Energiespeicher (16, 18) bereitgestellt ist, wobei mittels des Bordladers (32) zumindest einer der Betriebszustände des Hochvoltbatteriesystems (10) herstellbar ist.High voltage battery system ( 10 ) for a motor vehicle, which is at least partially electrically operable, with at least two energy stores ( 16 . 18 ), which are switchable in series and in parallel, and wherein a plurality of operating states of the high-voltage battery system ( 10 ), characterized in that the high-voltage battery system ( 10 ) an on-board loader ( 32 ) for at least two separate output voltages (U 1 , U 2 ), of which each of the output voltages (U 1 , U 2 ) in each case for one of the at least two energy stores ( 16 . 18 ), wherein by means of the on-board loader ( 32 ) at least one of the operating states of the high-voltage battery system ( 10 ) can be produced. Hochvoltbatteriesystem (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvoltbatteriesystem (10) genau zwei Energiespeicher (16, 18) und einen Bordlader (32) mit genau zwei Ausgangsspannungen (U1 , U2) aufweist.High voltage battery system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the high-voltage battery system ( 10 ) exactly two energy stores ( 16 . 18 ) and a on-board loader ( 32 ) with exactly two output voltages (U 1 , U 2 ). Hochvoltbatteriesystem (10) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die genau zwei Energiespeicher (16, 18) mittels genau eines Schalters (52) miteinander elektrisch koppelbar sind.High voltage battery system ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the exactly two energy stores ( 16 . 18 ) by means of exactly one switch ( 52 ) are electrically coupled to each other. Hochvoltbatteriesystem (10) nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Anschlüsse (40, 42, 44, 46, 48, 50) bereitgestellt sind, über die die zumindest zwei Energiespeicher (16, 18) mit einer Gleichspannung (U1, U2, U3) oder mit einer Wechselspannung (UAC) aufladbar sind.High voltage battery system ( 10 ) according to any preceding claim, characterized in that respective connections ( 40 . 42 . 44 . 46 . 48 . 50 ) are provided, via which the at least two energy stores ( 16 . 18 ) with a DC voltage (U 1 , U 2 , U 3 ) or with an AC voltage (U AC ) are rechargeable. Hochvoltbatteriesystem (10) nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass weitere jeweilige Anschlüsse (40, 42, 44, 46, 48, 50) bereitgestellt sind, über die die zumindest zwei Energiespeicher (16, 18) mit zumindest zwei in der Spannung unterschiedlichen Gleichspannungen (U1, U2, U3) aufladbar sind.High voltage battery system ( 10 ) according to any preceding claim, characterized in that further respective connections ( 40 . 42 . 44 . 46 . 48 . 50 ) are provided, via which the at least two energy stores ( 16 . 18 ) are chargeable with at least two different in the voltage DC voltages (U 1 , U 2 , U 3 ). Hochvoltbatteriesystem (10) nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Mehrzahl der Betriebszustände ein Fahrbetrieb und zumindest einer der Mehrzahl der Betriebszustände ein Aufladebetrieb ist.High voltage battery system ( 10 ) according to a preceding claim, characterized in that at least one of the plurality of operating states is a driving operation and at least one of the plurality of operating states is a charging operation. Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Betriebszuständen in einem Hochvoltbatteriesystem (10) mit zumindest zwei Energiespeichern (16, 18), eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest teilweise elektrisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Bordladers (32), der mit den zumindest zwei Energiespeichern (16, 18) gekoppelt ist, zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen (U1 , U2) erzeugt werden, so dass zumindest einer der Mehrzahl der Betriebszustände hergestellt wird.Method for producing a plurality of operating states in a high-voltage battery system ( 10 ) with at least two energy stores ( 16 . 18 ), a motor vehicle which is at least partially electrically operated, characterized in that by means of a on-board loader ( 32 ), which with the at least two energy stores ( 16 . 18 ), at least two separate output voltages (U 1 , U 2 ) are generated so that at least one of the plurality of operating states is established.
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WO2019141493A1 (en) * 2018-01-22 2019-07-25 Daimler Ag Storage device for a motor vehicle, particularly for an electric vehicle

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