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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug zur Versorgung eines Verbrauchers mit von einer HV(Hochvolt)-Speicheranordnung bereit gestellten Energie und ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Die
DE 10 2014 006 746 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung, insbesondere ein Batteriesystem. Hierbei sind mehrere Speichermodule mit einem elektrischen Verbraucher koppelbar, wobei zwischen den Speichermodulen und dem Verbraucher eine oder mehrere Wandlereinrichtungen vorgesehen sein können. Weiterhin wird der Ladezustand der jeweiligen Module gemessen und in Abhängigkeit davon diejenigen Module an den elektrischen Verbraucher angeschlossen, die einen hohen oder aber den höchsten Ladezustand aufweisen. Dadurch lassen sich unterschiedliche Ladezustände der Module ausgleichen.
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Ein anderes Problem bei Bordnetzen von Kraftfahrzeugen mit einer HV-Batterie besteht darin, dass auch für Batteriekomponenten in HV-Batterien selbst eine zuverlässige Spannungsversorgung bereitgestellt werden muss. Üblicherweise wird hierbei eine Spannungsversorgung aus dem Niedervoltnetz bereitgestellt, so dass die durch das Niedervoltnetz bereitgestellte 12-Volt-seitige Leistung für die in die Batterie integrierten Komponenten zur Verfügung gestellt wird. Das 12-Volt-Bordnetz steht fast überall im Fahrzeug zur Verfügung und ist daher mit vielen möglichen Störungen, beispielsweise Verpolung, transiente Über- und Unterspannungen und so weiter belastet. Daher sind vielfältige Schutzbeschaltungen notwendig. Zusätzlich muss innerhalb der Batterie für Komponenten auf HV-Potential für eine ausreichende galvanische Trennung und entsprechende Luft- und Kriechstrecken gesorgt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, welche eine Verbesserung hinsichtlich der Energieversorgung zumindest eines Verbrauchers ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug zur Versorgung eines Verbrauchers mit von einer HV-Speicheranordnung bereitgestellter Energie weist den Verbraucher und die HV-Speicheranordnung auf, die ihrerseits eine Mehrzahl an Zellgruppen aufweist, wobei jede der Zellgruppen mindestens eine Batteriezelle umfasst. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung eine Mehrzahl an Wandlereinrichtungen auf, wobei jede der Zellgruppen jeweils einer der Wandlereinrichtungen zugeordnet ist, wobei weiterhin die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass die Zellgruppen unabhängig voneinander jeweils über die zugeordnete Wandlereinrichtung mit dem Verbraucher zum Zuführen von Energie koppelbar und von diesem entkoppelbar sind. Dabei stellt der Verbraucher mindestens eine batterieintegrierte Komponente einer die HV-Speicheranordnung aufweisenden HV-Batterie dar.
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Durch das Vorsehen mehrerer Spannungswandler, die jeweiligen Zellgruppen zugeordnet sind, lässt sich nicht nur ein Ausgleich von Spannungsdifferenzen einzelner Zellgruppen innerhalb der HV-Speicheranordnung bereitstellen, sondern es wird vorteilhafterweise auch ermöglicht, die Wandlereinrichtungen optimiert auf ihren Arbeitspunkt zu betreiben, wodurch der erreichbare Wirkungsgrad gesteigert und Energieverluste reduziert werden können, was vor allem dann relevant ist, wenn der Verbraucher eine batterieintegrierte Komponente darstellt. Vorteilhafterweise kann es auch vorgesehen sein, dass der Verbraucher ausschließlich batterieintegrierte Komponenten der HV-Batterie umfasst. Dadurch können Störungen durch andere mit dem 12-Volt-Bordnetz gekoppelte Verbraucher vermieden werden. So lässt sich gerade für die batterieintegrierten Komponenten eine deutlich stabilere Spannungsversorgung bereitstellen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das batterieintegrierte Element zumindest ein Steuergerät der HV-Batterie dar. Gerade für derartige Steuergeräte ist eine stabile Spannungsversorgung besonders vorteilhaft.
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Zudem stellen die Wandlereinrichtungen bevorzugt galvanisch getrennte Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Wandler, dar. Durch die galvanische Trennung können die Spannungswandler aus verschiedenen Spannungslagen innerhalb des HV-Netzes versorgt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, die Anzahl der mit dem Verbraucher über die zugeordneten Wandlereinrichtungen gekoppelten Zellgruppen in Abhängigkeit von einer Größe eines aktuellen Energiebedarfs des Verbrauchers zu steuern. Ist der Energiebedarf beispielsweise gering, so können auch nur eine oder wenige Zellgruppen über die Wandlereinrichtungen mit dem Verbraucher gekoppelt sein, ist dagegen der Energiebedarf hoch, so können zusätzliche oder auch alle Zellgruppen über die Wandlereinrichtungen zur Energiezufuhr hinzugeschaltet werden. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise die Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung der aktiven Wandlereinrichtungen minimieren und ihr Wirkungsgrad entsprechend erhöhen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Anzahl der mit dem Verbraucher über die zugeordnete Wandlereinrichtung gekoppelten Zellgruppen derart zu steuern, dass die Wandlereinrichtungen, über welche die zugeordneten Zellgruppen mit dem Verbraucher gekoppelt sind, in einem vorbestimmten Lastbereich betrieben werden. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass immer gerade so viele Wandlereinrichtungen betrieben werden, dass diese sich im vorbestimmten Lastbereich, insbesondere im hohen Lastbereich, befinden. Die Wandlereinrichtungen können dann auf diesen Arbeitspunkt optimiert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von Einzelspannungen und/oder Ladezuständen der jeweiligen Zellgruppen festzulegen, welche der Zellgruppen über die jeweils zugeordneten Wandlereinrichtungen mit dem Verbraucher gekoppelt werden.
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Dadurch lässt sich vorteilhafterweise eine weitere Wirkungsgradsteigerung bewerkstelligen. Beispielsweise kann im Teillastbereich des durch die Schaltungsanordnung bereitgestellten Spannungsversorgungssystems gesteuert werden, aus welchem Zellverbund bevorzugt Leistung entnommen werden soll. Dadurch können Spannungsdifferenzen oder Ladezustandsunterschiede der Zellverbunde untereinander abgebaut werden und somit die thermische Belastung der Zellspannungsausgleichseinheiten, zum Beispiel einer Balancing-Schaltung, reduziert werden. Dies wirkt sich positiv auf deren Lebensdauer aus.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine HV-Batterie mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile gelten somit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße HV-Batterie.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs mit von einer HV-Speicheranordnung bereitgestellter Energie, wobei die HV-Speicheranordnung eine Mehrzahl an Zellgruppen aufweist. Dabei umfasst jede der Zellgruppen mindestens eine Batteriezelle, wobei weiterhin jede der Zellgruppen jeweils einer Wandlereinrichtung zugeordnet ist. Des Weiteren sind die Zellgruppen unabhängig voneinander jeweils über die zugeordnete Wandlereinrichtung mit dem Verbraucher zum Zuführen von Energie koppelbar und von diesem entkoppelbar. Zudem wird mindestens eine der Zellgruppen über die zugeordnete Wandlereinrichtung mit einer batterieintegrierten Komponente einer die HV-Speicheranordnung aufweisenden HV-Batterie als der Verbraucher gekoppelt.
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Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und ihren Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Verfahrensschritte.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10, die insbesondere vollständig in eine HV-Batterie 12 integriert sein kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung 10 weist eine HV-Speicheranordnung 14 auf, die eine Mehrzahl an Zellgruppen 16 umfasst, von denen hier exemplarisch drei dargestellt sind. Jede dieser Zellgruppen weist mindestens eine Batteriezelle 16a auf, wobei in diesem Beispiel jede der Zellgruppen 16 nur eine einzelne Batteriezelle 16a umfasst. Die jeweiligen Zellgruppen 16 können jedoch auch jeweils mehrere einzelne Batteriezellen 16a aufweisen. Diese können insgesamt in einer Reihenschaltung angeordnet sein, wie dargestellt, oder auch in einer Parallelschaltung oder Kombinationen hiervon. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 10 eine Wandlereinheit 18 auf, die ebenfalls eine Mehrzahl an Wandlereinrichtungen 18a aufweist, die in diesem Beispiel als galvanisch getrennte Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Wandler, ausgebildet sind. Jede dieser Wandlereinrichtungen 18a ist genau einer der Zellgruppen 16 zugeordnet. Jede der einzelnen Zellgruppen 16 kann über die zugeordnete Wandlereinrichtung 18a mit einem als batterieintegrierte Komponente der HV-Batterie 12 ausgebildeten Verbraucher 20 gekoppelt werden und von diesem entkoppelt werden. Die Kopplung der jeweiligen Wandlereinrichtungen 18a mit dem Verbraucher 20 kann insbesondere über eine gemeinsame Sammelleitung 22 erfolgen. Zum Koppeln und Entkoppeln der jeweiligen Zellgruppen 16 mit oder von der zum Verbraucher 20 führenden Sammelleitung 22 können insbesondere jeweilige Schaltelemente vorgesehen sein, die in die jeweiligen Wandlereinrichtungen 18a integriert sein können, oder auch als separate Schaltelemente, zum Beispiel zwischen einer jeweiligen Zellgruppe 16 und der zugeordneten Wandlereinrichtung 18a oder zwischen der jeweiligen Wandlereinrichtung 18a und der Sammelleitung 22, vorgesehen sein können.
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Durch diese den mehreren jeweiligen Zellgruppen 16 zugeordneten Wandlereinrichtungen 18a ist es nun vorteilhafterweise möglich, einer bestimmten Anzahl an Zellen 16a Energie zu entnehmen und auf die gemeinsame Sammelleitung 22 zu transferieren. Aus dieser Sammelleitung 22 können dann batterieinterne Steuergeräte als Teil des Verbrauchers 20 versorgt werden. Durch die Versorgung von batterieinternen Steuergeräten aus der HV-Versorgung, welche durch die HV-Speicheranordnung 14 bereitgestellt ist, können Störeinflüsse im Gegensatz zu einer Versorgung aus dem 12-Volt-Bordnetz deutlich verringert werden, der Aufwand bedingt durch vielfältige Schutzbeschaltungen, die sonst notwendig wären, deutlich verringert werden und eine Trennung zwischen HV- und LV-Potential deutlich vereinfacht werden. Zusätzlich kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden, da einzelne Spannungswandler, d. h. die Wandlereinrichtungen 18a, deaktiviert werden können, wenn aus der Sammelleitung 22 nicht die Maximalleistung entnommen wird. Die verbleibenden Spannungswandler, d. h. die Wandlereinrichtungen 18a, werden dann dennoch im hohen Lastbereich betrieben und können auf diesen Arbeitspunkt optimiert werden. Eine weitere Wirkungsgradsteigerung ergibt sich durch die geringere Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung der Spannungswandler. Im Teillastbereich des Spannungsversorgungssystems kann gesteuert werden, aus welchem Zellverbund, das heißt aus welcher Zellgruppe 16, bevorzugt Leistung entnommen werden soll. Dadurch können Spannungsdifferenzen der Zellverbunde untereinander abgebaut werden und somit die thermische Belastung der Zellspannungsausgleichseinheiten, wie Balancing-Schaltungen, reduziert werden. Dies wirkt sich positiv auf deren Lebensdauer aus.
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Dies lässt sich bevorzugt bewerkstelligen, indem zum einen eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) der Schaltungsanordnung 10 die Kopplung der Zellgruppen 16 mit dem Verbraucher 20 in Abhängigkeit von der aktuell vom Verbraucher 20 benötigten Energie beziehungsweise Leistung steuert, sodass die Anzahl der mit dem Verbraucher 20 gekoppelten Zellgruppen 16 so bemessen ist, dass die zugeordneten Wandlereinrichtungen 18a auf ihren Arbeitspunkt optimiert betrieben werden. Zum anderen kann im Teillastbereich, das heißt wenn nicht alle der Zellgruppen 16 zur Versorgung des Verbrauchers 20 beitragen, diejenigen Zellgruppen 16 zur Kopplung mit dem Verbraucher 20 ausgewählt werden, die die höchste Zellspannung aufweisen, um ein passives Balancing zu unterstützen.
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Insgesamt werden so eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers durch eine HV-Speicheranordnung bereitgestellt, welche eine zuverlässige Spannungsversorgung für Batteriekomponenten in HV-Batterien ermöglichen und die vor allem die Anforderungen an eine hohe HV-LV Durchkoppeldämpfung, an ein stabiles Spannungsniveau ohne gravierende Spannungseinbrüche oder transiente Überspannung und an einen Ausgleich von Spannungsdifferenzen einzelner Zellgruppen innerhalb der Batterie erfüllen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- HV-Batterie
- 14
- HV-Speicheranordnung
- 16
- Zellgruppe
- 16a
- Batteriezelle
- 18
- Wandlereinheit
- 18a
- Wandlereinrichtung
- 20
- Verbraucher
- 22
- Sammelleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014006746 A1 [0002]
