-
Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung für ein Bordnetz, Verfahren zum Zellbalancing innerhalb einer Versorgungseinrichtung für mindestens ein Bordnetz sowie Verwendung einer Versorgungseinrichtung für mindestens ein Bordnetz, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 6 und 7.
-
Als Bordnetz wird generell die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Fahrzeug bezeichnet. Der Begriff „Bordnetz“ wird allgemein bei allen Verkehrsmitteln wie Automobilen, Flugzeugen, Schiffen und Schienenfahrzeugen genutzt und dabei oft mit der elektrischen Spannung bzw. der Nennspannung des Bordnetzes gleichgesetzt.
-
Zu den elektrischen Komponenten eines Bordnetzes zählen beispielsweise die Bordspannungssteckdosen (Zigarettenanzünder), Sensoren wie Außentemperatursensor, Displays wie die Tachoanzeige, Scheibenwischermotoren etc.
-
Speziell im Automobilbereich ist dabei der Nennwert der Bordnetzspannung generell auf 12 V DC ausgelegt. Nutzfahrzeuge wie Lastkraftwagen oder Busse verwenden beispielsweise einen Wert von 24 V DC.
-
Zur Versorgung des Bordnetzes werden beispielsweise Batterien eingesetzt, deren Nennspannung von beispielsweise 48 V DC auf die erforderliche Bordnetzspannung transformiert wird. Diese Batterien bestehen beispielsweise aus mehreren Einzelzellen oder Einzelzellblöcken.
-
Es kann vorkommen, dass die Einzelzellen beispielsweise fertigungsbedingt untereinander Schwankungen bezüglich ihrer Kapazität und ihres Innenwiderstands aufweisen, was unter anderem dazu führen kann, dass einzelne Zellen überladen oder aber nicht vollständig aufgeladen werden. Dies senkt einerseits natürlich den Wirkungsgrad und kann andererseits im schlimmsten Fall zur vorzeitigen Alterung bzw. Beschädigung der Zellen führen. Maßnahmen zur Behebung dieser Schwankungen werden generell als Zellbalancing bezeichnet und führen generell zu einem Ladungsausgleich der einzelnen Zellen.
-
Aus
DE 10 2012 003 309 A1 ist ein Energiesystem eines Fahrzeugs bekannt, welches eine Reihenschaltung aus Batteriezellen aufweist, die in zwei Teilstränge unterteilt ist. Diese Teilstränge versorgen jeweils eine Eingangsseite eines Gleichspannungswandlers mit Spannung, wobei die Gleichspannungswandler an ihrer Ausgangsseite parallel geschaltet sind und ein Bordnetz mit heruntertransformierter Spannung versorgen. Dabei ist mittels der einzelnen Ansteuerung der Gleichspannungswandler ein Zellbalancing zwischen den Teilsträngen möglich.
-
DE 10 2014 107 670 A1 zeigt eine Schaltung zur bidirektionalen Ladungsübertragung, bei der Ladungsunterschiede zwischen mehreren in Reihe geschalteten Energiequellen (Batteriezellen) ausgleichbar sind, indem zunächst Energie von einer ersten Batteriezelle über einen DCDC-Wandler an eine Energiespeichereinheit übertragen wird. Daraufhin wird vom DCDC-Wandler die erste Batteriezelle abgekoppelt und eine zweite Batteriezelle mit dem DCDC-Wandler verbunden, wodurch die Energie aus der Energiespeichereinheit in die zweite Batteriezelle fließt. Auf diese Weise wird ein Zellbalancing zwischen den Batteriezellen gewährleistet.
-
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Möglichkeiten aufzuzeigen, wie die Versorgung des Bordnetzes sowie das Zellbalancing auf kostengünstige Weise realisiert werden können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Versorgungseinrichtung gemäß Anspruch 1.
-
Demnach ist eine Versorgungseinrichtung vorgesehen für mindestens ein Bordnetz mit einer Bordnetznennspannung, umfassend mindestens eine Batterie aufweisend eine Batteriegesamtspannung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes, wobei die Batterie mindestens zwei einzelne Batteriezellen und/ oder einzelne Batteriezellverbunde aufweist, welche jeweils eine Zellspannung mit einem vorbestimmten Sollwert aufweisen, wobei zwischen jeder einzelnen Batteriezelle und/ oder jedem einzelnen Zellverbund der Batterie auf einer Eingangsseite und dem Bordnetz auf einer Ausgangsseite ein einzelner Gleichspannungswandler, mittels welchem die jeweilige Zellspannung in eine jeweilige Ausgangsspannung wandelbar ist, geschaltet ist, wobei die Bordnetzspannung aus den einzelnen Ausgangsspannungen gebildet ist, und wobei die Gleichspannungswandler jeweils als nicht galvanisch getrennte Gleichspannungswandler ausgestaltet sind, wobei mittels mindestens einer Messeinrichtung ein jeweiliger Istwert der Zellspannung der einzelnen Batteriezellen in mindestens einer ersten Messung messbar ist und Messergebnisse der ersten Messung an eine übergeordnete Steuereinrichtung übertragbar sind, wobei ausgehend vom Istwert der Zellspannung ein Wert der zu liefernden Ausgangsspannung der jeweiligen Batteriezelle mittels Ansteuerung der Gleichspannungswandler durch die Steuereinrichtung einzeln steuerbar ist.
-
Die Erfindung ist unter anderem für Fahrzeuge oder weitere Anwendungen geeignet, welche mit 48V-Batterien und gleichzeitig mit 12V- oder 24V-Bordnetzen ausgestattet sind.
-
Grundgedanke ist es demnach, einen Gleichspannungswandler über jede einzelne Zelle oder über einen Zellverbund (entspricht einer beliebigen Anzahl zusammengefasster Zellen) in einer Batterie anzuordnen bzw. innerhalb der Peripherie der Batterie zu integrieren. Der vorliegende Wandler ist also zellbasiert und/ oder zellverbundbasiert.
-
Dabei wird die Spannung jeder Zelle und/ oder jedes Zellverbunds einer Batterie mit jeweils einem Wandler letztendlich auf die Spannung eines Bordnetzes gewandelt. Die Eingangsseite der Gleichspannungswandler ist also der Batterieseite zugeordnet und die Ausgangsseite der Gleichspannungswandler der Bordnetzseite.
-
Erfindungsgemäß sind also Zellbalancing der einzelnen Zellen bzw. einzelner Zellverbunde und gleichzeitige Versorgung aus der Batterie in ein und derselben Topologie möglich.
-
Darüber hinaus kann mittels der vorliegenden Systeme die Spannungsversorgung in einem System (wie in einem Fahrzeug) kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen. Das Bordnetz kann gestützt bzw. dessen Spitzenlasten abgedeckt werden.
-
Die Ermittlung des sogenannten „State of Health“ (Gesundheitszustand bzw. Ladezustand) der Zellen, der eine Aussage über den Zustand der Batteriezelle bzw. deren Leistungsfähigkeit ermöglicht, kann zur Leistungsregelung bzw. -anpassung verwendet werden.
-
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Gleichspannungswandler wird auch DC-DC-Wandler oder DC-DC-Converter genannt (Abkürzung DCDC) und bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit zur Eingangsspannung höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt.
-
Erfindungsgemäß wird eine Lösung mittels Gleichspannungswandler innerhalb einer Peripherie einer Batterie beschrieben, welche hochintegriert ist, also den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal ausnutzt, indem mehrere Funktionen und/ oder Bauelemente effektiv angeordnet werden. Ein zusätzliches, externes System ist hierbei nicht notwendig.
-
Ferner ist Zellbalancing durch die integrierten Gleichspannungswandler und insbesondere in allen Betriebszuständen des Fahrzeugs möglich.
-
Vorteilhaft können bereits vorhandene Bauteile weiterverwendet bzw. wiederverwendet werden („Reuse“).
Die mögliche Entladungstiefe der Zellen (engl.: „Depth of Discharge“) kann durch den vorherigen Ladungsausgleich der Zellen untereinander maximiert werden.
-
Sollte es notwendig sein, ist mittels der gezeigten Lösungen die Aufrechterhaltung eines Fahrzeugnotbetriebs (englisch auch „Limp Home“ genannt) durch eine Reduzierung der bordnetzseitigen Leistungsaufnahme, bevorzugt durch das sogenannte „partial networking“ (einem partiellen Verschalten relevanter Systeme), sichergestellt.
-
Der Gleichspannungswandler ist erfindungsgemäß nicht galvanisch getrennt ausgebildet. Unter galvanischer Trennung (auch galvanische Entkopplung) versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen elektrische Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen. Anstelle der Leitung sind dann Kopplungsglieder erforderlich. Bei galvanischer Trennung sind auch elektrische Potentiale voneinander getrennt; die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei. Mit anderen Worten können Ladungsträger aus dem einen Stromkreis nicht in den anderen Stromkreis hinüberwechseln. Galvanisch getrennte Stromkreise sind also nicht gleichstrommäßig verbunden.
-
Mit anderen Worten gilt im Umkehrschluss also erfindungsgemäß für einen ersten, einer Batteriezellenseite zugeordneten Stromkreis und einen zweiten, der Bordnetzseite zugeordneten Stromkreis, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkreis Energie übertragen werden soll, dass diese mittels eines nicht galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Wie der erste und der zweite Stromkreis aufgebaut sein können, erschließt sich aus der Beschreibung der Figuren.
-
Der Vorteil des Einsatzes nicht galvanisch getrennter Gleichspannungswandler ist, dass die erforderliche Schaltung wesentlich einfacher ist und somit die Bauteilkosten niedriger sind. Die erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung bietet somit eine vorteilhafte Ergänzung einer Produktpalette und kann vor allem für Anwendungen im Standardbereich oder Low-Cost-Bereich nützlich sein.
-
Dabei entscheiden unter anderem die Position, an der die Bordnetzspannung abgegriffen wird, sowie die Art der Verschaltung der Gleichspannungswandler auf deren Eingangsseite und/ oder Ausgangsseite den Sollwert der Bordnetzspannung.
-
Die erfindungsgemäß eingesetzte Batterie umfasst beispielsweise in Reihe und/ oder parallel zueinander geschaltete Batteriezellen und/ oder Zellverbunde. Ein einzelner Zellverbund kann in Reihe und/ oder parallel zueinander geschaltete Batteriezellen aufweisen.
-
Erfindungsgemäß ist mindestens einer der Gleichspannungswandler als Synchronwandler ausgestaltet. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die übrigen Gleichspannungswandler als Inverswandler, Abwärtswandler, Aufwärtswandler und/ oder Synchronwandler ausgestaltet. Insbesondere der Synchronwandler ist dabei geeignet, Energie bidirektional, das heißt, sowohl ausgehend von der Batterie in Richtung zum Bordnetz als auch ausgehend vom Bordnetz in Richtung zur Batterie, zu übertragen.
-
Alle genannten Typen des Gleichspannungswandlers verwenden als Energiespeicherelement zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkreis eine Induktivität oder induktives Speicherelement, mithin beispielsweise eine Spule als sogenannte Speicherdrossel. Beispielsweise kann diese Induktivität von der Batteriezellenseite (Eingangsseite) aus mit Energie geladen sowie von der Bordnetzseite (Ausgangsseite) aus entladen werden.
-
Ein generelles Schaltbild eines Inverswandlers ist in 1 gezeigt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gleichspannungswandler zwischen den einzelnen Batteriezellen der Batterie und dem Bordnetz auf der Eingangsseite, also auf der der Batterie zugeordneten Seite, einzeln verschaltet und/ oder auf der Ausgangsseite, also auf der dem Bordnetz zugeordneten Seite, zueinander parallel geschaltet angeordnet.
-
Die mehrfach parallel geschalteten, einer einzelnen Zelle oder einem einzelnen Zellverbund zugeordneten DCDC-Wandler sorgen vorteilhaft für eine Art mehrfacher Redundanz des Bordnetzes. Außerdem ist die permanente Versorgung von sicherheitsrelevanten Systemen aufgrund der parallel geschalteten DCDCs gewährleistet. Ist eine Zelle im schlimmsten Fall defekt, kann mittels der gezeigten Topologien bzw. der gezeigten einer einzelnen Zelle oder einem einzelnen Zellverbund zugeordneten DCDC-Wandler eine Zellüberbrückung dieser Zelle bereitgestellt werden.
-
In einem technischen System bezeichnet der Ausdruck „Redundanz“ bekanntermaßen die zusätzliche Anordnung funktional gleicher oder vergleichbarer Ressourcen, welche im Normalfall, also bei störungsfreiem Betrieb des Systems, nicht benötigt werden. Die redundanten Ressourcen sorgen somit für eine erhöhte Funktionssicherheit. So ist es beispielsweise möglich, zur Erzielung der Redundanz Systeme mehrfach parallel anzuordnen.
Da in den beschriebenen Beispielen die Ressourcen (vorliegend die Gleichspannungswandler) vorteilhaft nicht nur dann zum Einsatz kommen, wenn eine Störung oder ein Funktionsausfall einer Hauptressource (also beispielsweise des ersten Gleichspannungswandlers) vorliegt, kann hiervon einer Art Redundanz gesprochen werden. Erfindungsgemäß werden in einer Versorgungseinrichtung alle der zwischen Batterie und Bordnetz angeordneten Gleichspannungswandler gleichzeitig eingesetzt.
-
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Batteriegesamtspannung 48 V und die Bordnetzspannung 12 V oder 24 V beträgt.
-
Außerdem ist es zur effizienten Versorgung des Bordnetzes vorteilhaft, wenn insgesamt 10 bis 15, bevorzugt 13 Batteriezellen und/ oder Zellverbunde angeordnet sind, deren Zellspannung jeweils den Sollwert aus einem Bereich von 3,2 bis 4,8 V, bevorzugt von 3,7 V aufweisen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform (beispielsweise bei Lithium-Titanat-Zelltypen) sieht vor, dass insgesamt 17 bis 25, bevorzugt 21 Batteriezellen und/ oder Zellverbunde angeordnet sind, deren Zellspannung jeweils den Sollwert aus einem Bereich von 1,9 bis 2,8 V, bevorzugt von 2,3 V aufweisen.
-
Erfindungsgemäß umfassen die Gleichspannungswandler jeweils mindestens einen, bevorzugt zwei Schalter zum Öffnen und Schließen mindestens eines Stromkreises, welche von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand überführbar sind und bezüglich einer Dauer einer Einschaltzeit und einer Dauer einer Ausschaltzeit mittels der übergeordneten Steuereinrichtung einzeln ansteuerbar sind.
-
Der vorliegende Wandler ist also skalierbar. Über die Anpassung der Dauer der Einschaltzeit und Ausschaltzeit lässt sich vorteilhaft das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung steuern. Mit anderen Worten können damit auch das Maß an Energie, das in der Spule zwischengespeichert wird und damit unmittelbar die dafür notwendige Belastung der Zelle bestimmt werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies mittels der Methode der „Duty Cycle Variation“. Das Tastverhältnis (englisch „duty cycle“) entspricht bei einer periodischen Folge von Impulsen dem Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer. Mittels einer Variation des Tastverhältnisses („Duty Cycle Variation“) lässt sich der Gleichwert der elektrischen Spannung ändern.
-
Dabei ist es vorteilhaft, wenn mittels der Gleichspannungswandler die Zellspannung unidirektional wandelbar ist. Bevorzugt bezieht sich dies natürlich auf die Richtung von der Eingangsseite aus zur Ausgangsseite hinwärts. Ist die Gleichspannung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ausschließlich unidirektional wandelbar, reduziert dies den Bauteilaufwand und die Kosten der Versorgungseinrichtung. Der Vorteil hier ist, dass mit wenig Aufwand eine erste Form des Zellbalancing durchgeführt werden kann. Es kann durch Bestimmung der Werte der jeweiligen Zellspannungen auf den Zustand der Zellen rückgeschlossen werden und als Folge daraus das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung der jeweiligen Zellen individuell verändert werden.
-
Erfindungsgemäß ist zum effizienten Energiemanagementmittels der Gleichspannungswandler die Zellspannung bidirektional wandelbar. Gleichzeitig ist damit für das Zellbalancing nicht nur in der ersten Form, sondern auch in einer zweiten, aktiven Form gesorgt. Das bedeutet, dass zusätzlich vom Bordnetz ausgehend die Batteriezellen aufgeladen werden können, falls notwendig. Demnach ist erfindungsgemäß mindestens einer der Gleichspannungswandler als Synchronwandler ausgestaltet, wobei die Energie, die aus dem Bordnetz entnehmbar ist, der mindestens einen mit dem Synchronwandler verbundenen Zelle der Batterie zur Erhöhung der jeweiligen Zellspannung gesteuert zuführbar ist.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens einer der Schalter, bevorzugt alle Schalter als Transistoren, bevorzugt als Feldeffekttransistoren (FET), weiter bevorzugt als Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET) ausgestaltet. Weiter bevorzugt ist zumindest einer der Schalter vom Typ p-leitend (p-Kanal), normal sperrend. Das bedeutet, dass kein Strom fließt, wenn an den Anschlüssen des Transistors keine Spannung anliegt.
-
Erfindungsgemäß sind alle im Versorgungssystem angeordneten Schalter zum Öffnen und Schließen mindestens eines Stromkreises innerhalb der Topologie mindestens eines Gleichspannungswandlers angeordnet. Somit ist außerhalb der Topologie der Gleichspannungswandler kein Schalter angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind alle im Versorgungssystem angeordneten Schalter und/ oder Dioden zum Öffnen und Schließen mindestens eines Stromkreises innerhalb der Topologie mindestens eines Gleichspannungswandlers angeordnet. Somit ist außerhalb der Topologie der Gleichspannungswandler kein Schalter und/ oder keine Diode angeordnet.
-
Erfindungsgemäß ist die Bordnetzspannung mittels einer weiteren Messeinrichtung in einer zweiten Messung messbar und ein Ergebnis der zweiten Messung an die übergeordnete Steuereinrichtung übertragbar. Damit lässt sich ein etwaiger Einbruch der Bordnetzspannung besonders einfach und schnell feststellen und entsprechend gegensteuern.
-
Zusammengefasst gilt also, dass zunächst mittels der ersten Messeinrichtung ein jeweiliger Istwert der Zellspannungen bestimmt und an die übergeordnete Steuereinrichtung weitergegeben wird. Dort wird der Istwert mit dem Sollwert verglichen. Bei einer bestimmten Abweichung der beiden Werte zueinander variiert die Steuereinrichtung über das Senden von Signalen an die Schalter das Tastverhältnis, also das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer der Schalter und damit das Verhältnis von Eingangsspannung ausgehend von der einzelnen Zelle zu Ausgangsspannung am der Zelle zugeordneten Gleichspannungswandler.
-
Beispielsweise weist eine Abweichung, bei der die Steuereinrichtung wie beschrieben eingreift, einen Wert von größer oder gleich 0,2 V auf. Beispielsweise liegt diese Abweichung insbesondere bei Zellen mit einem Sollwert von 3,7 V in einem Bereich von 2 % bis 10 %, bevorzugt von 4 % bis 6 %, weiter bevorzugt von 5,4 %. Beispielsweise liegt diese Abweichung insbesondere bei Zellen mit einem Sollwert von 2,3 V in einem Bereich von 5 % bis 12 %, bevorzugt von 7 % bis 10 %, weiter bevorzugt von 8,7 %.
-
Dabei gilt vorteilhaft: Weist eine Zelle eine Zellspannung mit einem zu kleinen Istwert im Vergleich zum Sollwert auf, wird über eine Variation des Tastverhältnisses dafür gesorgt, dass diese Zelle insgesamt wenig Ausgangsspannung liefern muss. Sie wird also weniger belastet. Über bidirektionalen Leistungsfluss kann zusätzlich dafür gesorgt werden, dass die Leistung vom Bordnetz zur Batteriezelle hin fließt und dadurch diese Zelle aufgeladen wird.
-
Zellen mit einem Istwert, der dem Sollwert entspricht oder sogar größer ist, können hingegen mit einer großen Ausgangsspannung belastet werden. Dabei ist es denkbar, dass zum Beispiel je nach Ladungszustand mindestens eine Zelle zur Versorgung des Bordnetzes eingesetzt und mindestens eine weitere Zelle aufgeladen wird.
-
Erfindungsgemäß wird eine dritte Messung durchgeführt, welche direkt den Wert der Ausgangsspannung der einzelnen Gleichspannungswandler misst und an die übergeordnete Steuereinrichtung weitergibt. So können defekte Gleichspannungswandler erkannt werden. Es wäre denkbar, dass die übergeordnete Steuereinrichtung in diesem Fall ein Signal an eine geeignete Anzeigeeinrichtung weitergibt oder einen auslesbaren Fehlercode intern abspeichert.
-
Die Erfindung wird demnach ebenfalls gelöst von einem Verfahren zum Zellbalancing gemäß Anspruch 6.
-
Demnach ist ein Verfahren zum Zellbalancing innerhalb einer Versorgungseinrichtung für mindestens ein Bordnetz mit einer Bordnetznennspannung vorgesehen, umfassend mindestens eine Batterie aufweisend eine Batteriegesamtspannung zur Spannungsversorgung des Bordnetzes, wobei die Batterie mindestens zwei einzelne Batteriezellen und/ oder einzelne Batteriezellverbunde aufweist, welche jeweils eine Zellspannung mit einem vorbestimmten Sollwert aufweisen, wobei zwischen jeder einzelnen Batteriezelle und/ oder jedem einzelnen Zellverbund der Batterie auf einer Eingangsseite und dem Bordnetz auf einer Ausgangsseite ein einzelner Gleichspannungswandler, mittels welchem die jeweilige Zellspannung in eine jeweilige Ausgangsspannung wandelbar ist, geschaltet ist, wobei die Bordnetzspannung aus den einzelnen Ausgangsspannungen gebildet ist, und wobei die Gleichspannungswandler jeweils als nicht galvanisch getrennte Gleichspannungswandler ausgestaltet sind, wobei mittels mindestens einer Messeinrichtung ein jeweiliger Istwert der Zellspannung der einzelnen Batteriezellen in mindestens einer ersten Messung gemessen wird und Messergebnisse der ersten Messung an eine übergeordnete Steuereinrichtung übertragen werden, wobei ausgehend vom Istwert der Zellspannung ein Wert der zu liefernden Ausgangsspannung der jeweiligen Batteriezelle mittels Ansteuerung der Gleichspannungswandler durch die Steuereinrichtung einzeln gesteuert wird.
-
Erfindungsgemäß sieht dieses Verfahrens vor, dass mindestens einer der Gleichspannungswandler als Synchronwandler ausgestaltet ist, wobei die Energie, die aus dem Bordnetz entnommen wird, der mindestens einen mit dem Synchronwandler verbundenen Zelle der Batterie zur Erhöhung der jeweiligen Zellspannung gesteuert zugeführt wird.
-
Die Erfindung wird ebenfalls gelöst von der Verwendung einer beschriebenen Versorgungseinrichtung für mindestens ein Bordnetz, insbesondere unter Verwendung eines beschriebenen Verfahrens zum Zellbalancing.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen.
-
Es zeigen:
- 1 die Topologie eines Inverswandlers aus dem Stand der Technik;
- 2 eine Topologie eines erfindungsgemäßen Versorgungssystems;
- 3 einen Ausschnitt der Topologie gemäß 2.
-
Als Energiespeicherelement fungiert in der Topologie eines Inverswandlers aus dem Stand der Technik gemäß 1 wie oben beschrieben eine Drosselspule L. Ein elektronischer Schalter SW', welcher beispielsweise mittels eines Feldeffekttransistors FET ausgebildet sein kann, legt eine Eingangsgleichspannung Uein für eine kurze Einschaltzeit tein an die Drosselspule L. Während dieser Zeit bleibt die Diode D gesperrt. Im Kern der Drosselspule L wird magnetische Energie gespeichert.
-
Beim Abschalten der Eingangsspannung Uein generiert die Drossel L eine entgegengesetzte Induktionsspannung uL(t). Die Diode D wird leitend und der Drosselstrom iL fließt unter Abbau des Magnetfelds in gleicher Richtung weiter. Der Kondensator C wird in der angegebenen Polarität (+) geladen.
-
Der Laststrom iD wird während der Ausschaltzeit taus des Transistors FET von der Drosselspannung UL durch die leitende Diode D geliefert. Im Einschaltzeitraum tein mit gesperrter Diode D ist der Kondensator C die Spannungsquelle, aus dem die Last den Laststrom zieht. Im eingeschwungenen Zustand stellt sich ein mittlerer Laststrom ein. Der zur Einschaltperiode in der Drossel L zunehmende Strom ist dann so groß wie der in der Sperrphase abnehmende Strom. Der Inverswandler arbeitet im quasistationären Zustand und stellt für den Lastwiderstand RLast eine konstante Ausgangsspannung Uaus zur Verfügung.
-
Es lässt sich bei einem Inverswandler näherungsweise herleiten, dass bei vorgegebenem Wert der Eingangsspannung Uein der Wert der Ausgangsspannung Uaus nur von der Einschaltzeit tein und der Ausschaltzeit taus bzw. der Sperrzeit tP des Schalters abhängen. Die beiden Zeiten tein und taus lassen sich über eine entsprechende Ansteuerung des Schalters variieren.
-
Die 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Topologie eines Versorgungssystems 1 mit nicht galvanisch getrennten DCDC-Wandlern als Inverswandlertopologie, welche eine hochohmige Trennung durch Halbleiter bereitstellen.
-
Gezeigt ist eine Batterie B, welche zur Spannungsversorgung eines Bordnetzes S eingesetzt ist und vorliegend n Einzelzellen Z1 bis Zn mit einer jeweiligen Zellspannung UZ1 bis UZn umfasst, wobei n hier beispielsweise 13 ist. Vorliegend beträgt der Istwert der Gesamtspannung der Batterie B (entsprechend der Gesamteingangsspannung) UE der Batterie B 48,1 V und ist aufgrund der Reihenschaltung der Batteriezellen Z1 bis Zn zueinander die Summe aus deren Zellspannungen UZ1 bis UZn. Da idealerweise der Istwert dem Sollwert entspricht, weisen die Zellen Z1 bis Zn somit rein rechnerisch jeweils eine identische Zellspannung UZ1 bis UZn von jeweils 3,7 V auf.
-
Jeder Zelle Z1 bis Zn ist vorliegend ein einzelner Gleichspannungswandler DC1 bis DCn zugeordnet. Diese Gleichspannungswandler DC1 bis DCn sind vorliegend auf der Eingangsseite E einzeln verschaltet und auf der Ausgangsseite A parallel zueinander geschaltet.
-
Zwischen einem Ausgang A* und der Masse GND erfolgt der Spannungsabgriff der Ausgangsspannung UA der Batterie B für das Bordnetz S. Die Masse GND kann natürlich auch durch ein anderes Potential, welches zwischen der gewünschten Spannung und der Masse angeordnet ist, gebildet sein.
-
Bevorzugt sind der Ausgang A* und das Bezugspotential über Leitungen unmittelbar mit der Ausgangsseite der jeweiligen Gleichspannungswandler DC1 bis DCn verbunden, so dass insbesondere kein weiteres Element zwischen Gleichspannungswandler und dem Spannungsabgriff geschaltet ist. Weitere Elemente umfassen beispielsweise Filter, Schalter und/ oder Kondensatoren. Dies reduziert den Bauteilaufwand und die Kosten enorm. Vorliegend beträgt ein Nennwert der Ausgangsspannung UA 12 V.
-
Eine Messeinrichtung M' weist einzelne Messeinrichtungen M1 bis Mn, welche jeweils einer Zelle Z1 bis Zn zugeordnet sind, auf und kann die zur Verfügung stehenden Ist-Einzelspannungen UZ1 bis UZn messen und die Messergebnisse an eine übergeordnete Steuerung CU weiterleiten. Dies ist veranschaulicht durch die Pfeillinien, die die Messeinrichtungen M1 bis Mn mit der Steuerung CU verbinden und die entsprechenden Eingangssignale an die Steuerung CU darstellen. Die Pfeillinien, die die Zellen Z1 bis Zn mit den Messeinrichtungen M1 bis Mn verbinden, veranschaulichen die Erfassung des Wertes der Zellspannungen UZ1 bis UZn.
-
Sollte bei einer oder mehreren Zellspannungen UZ1 bis UZn eine Differenz vom Istwert zum Sollwert resultieren, kann die übergeordnete Steuerung CU je nach Zustand der Zellen Z1 bis Zn die Transistoren FET1, FET2 aktiv ansteuern. Dies ist veranschaulicht durch die Pfeillinien, die gemäß 3 die Steuerung CU mit den Transistoren FET1, FET2 verbinden und die entsprechenden Ausgangssignale darstellen. Wie oben beschrieben, werden dabei die Gleichspannungswandler DC1 bis DCn bzw. die Transistoren FET1, FET2 so angesteuert, dass ihnen zugeordnete Zellen Z1 bis Zn mit einer zu geringen Zellspannung weniger Ausgangsspannung UA1, ..., UAn liefern müssen und dadurch weniger belastet werden. Somit ist für einen Ausgleich des Wertes der Zellspannungen UZ1 bis UZn der Zellen Z1 bis Zn untereinander gesorgt. Es erfolgt aber kein Ladungsaustausch der Zellen Z1, Z2, ..., Zn untereinander.
-
Diese erste Form des Zellbalancings erfolgt in dieser Variante allerdings nur dann, wenn im Bordnetz S Verbraucher aktiv sind, das heißt, wenn am Spannungsabgriff zwischen A und GND (siehe 2) eine Last geschaltet ist und Strom auf der Ausgangsseite A fließt.
-
Bei Einsatz eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers ist aktives Zellbalancing als zweite Form des Zellbalancings (inkl. Ladungsaustausch der Zellen untereinander) möglich durch Entnahme von Energie aus dem Bordnetz und Umverteilung auf die Zellen, wie bereits oben beschrieben.
-
Am Beispiel des Schaltbilds des obersten Gleichspannungswandlers DC1 ist gemäß 3 nochmals im Detail gezeigt, dass von einem Pluspol + der ersten Batteriezelle Z1 der Batterie B aus gesehen auf der Eingangsseite E des Gleichspannungswandlers DC1 in einer ersten Leitung T1 zunächst ein erster Transistor FET1 in Form eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate angeordnet ist, welcher in diesem Beispiel vom Typ p-leitend (p-Kanal), normal sperrend ist.
-
Dazu in Reihe ist in der ersten Leitung T1 eine erste Diode D1 in Sperrrichtung geschaltet. Analog dazu ist von einem Minuspol - der ersten Batteriezelle Z1 der Batterie B aus gesehen in einer zweiten Leitung T2 zunächst eine zweite Diode D2 in Sperrrichtung und in Reihe dazu ein zweiter Transistor FET2 geschaltet, welcher vorliegend vom gleichen Typ wie der erste Transistor FET1 ist.
-
Zwischen Pluspol + und Minuspol - der Batterie liegt die Zellspannung UZ1 an.
-
Zwischen den Transistoren FET1, FET2 und den Dioden D1, D2 ist jeweils ein Knoten K1, K2 angeordnet. Zwischen dem Knoten K1 der ersten Leitung T1 und dem Knoten K2 der zweiten Leitung T2 ist eine Spule L angeordnet.
-
Parallel zum ersten Transistor FET1 ist eine dritte Diode D3 zwischen einem dritten Knoten K3 und einem vierten Knoten K4 in Sperrrichtung geschaltet. Dabei liegen die Knoten K3, K4 zwischen dem Knoten K1 und dem Pluspol der Batterie.
-
Parallel zum zweiten Transistor FET2 ist eine vierte Diode D4 zwischen einem fünften Knoten K5 und einem sechsten Knoten K6 in Durchlassrichtung geschaltet. Dabei liegen die Knoten K5, K6 zwischen dem Knoten K2 und der Bordnetzseite, mithin der Ausgangsseite A des Gleichspannungswandlers DC1. Zwischen den Leitungen T1, T2 liegt auf der Ausgangsseite A die Ausgangsspannung UA1 des ersten Gleichspannungswandlers DC1 an.
-
Durch die Anordnung der Dioden D1, D2, D3, D4 und der Transistoren FET1, FET2 ist nun gewährleistet, dass ein Strom iV, welcher zur Versorgung des Bordnetzes S von der Batterie B bzw. der einzelnen Zellen Z1 bis Zn in Richtung zum Bordnetz S fließt, in der ersten Leitung T1 durch den ersten Transistor FET1 fließt sowie anschließend über den Knoten K1 durch die Spule L fließt und diese auflädt. Danach fließt der Strom iV durch den zweiten Transistor FET2.
-
Das Zellbalancing erfolgt durch Leistungsflussregelung in das Bordnetz S beim vorliegenden unidirektionalem Leistungsfluss nur dann, wenn im Bordnetz S Verbraucher aktiv sind. Zelten Z1 bis Zn mit niedrigerem Ladezustand werden im Verbund automatisch weniger belastet; es erfolgt somit kein Ladungsaustausch der Zellen Z1 bis Zn untereinander.
-
Erfindungsgemäß wird für die Leistungsflusskontrolle jeder einzelne Gleichspannungswandler DC1, ..., DCn lastabhängig geregelt. Dafür ist eine überlagerte Gesamtsteuerung CU vorgesehen.
-
Zu berücksichtigen ist, dass die Masse des 12V- bzw. 24V-Bordnetzes („Ground“, GND) und die des 48V-Bordnetzes nicht verbunden werden dürfen, also beispielsweise auch nicht über die Fahrzeugkarosserie. Mittels des Einsatzes aktiver Schaltelemente anstelle der passiven Elemente können die Masse des 12V- bzw. 24V-Bordnetzes und die des 48V-Bordnetzes jedoch verbunden werden. Dafür müssen insbesondere auch die gemäß 3 gezeigten Dioden D1 und D2 durch aktive Schaltelemente, beispielsweise durch FETs ersetzt werden.
-
Wegen der fehlenden galvanischen Trennung ist das gezeigte System nicht für eine Anwendung bei HV-Batterien geeignet.
-
Der Vorteil liegt unter anderem darin, dass eine geregelte Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann. Die Redundanz sorgt wie oben erwähnt dafür, dass die Betriebssicherheit erhöht wird. Außerdem wird mittels der gezeigten Ausführungsform die Skalierbarkeit unterstützt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Versorgungseinrichtung
- A
- Ausgangsseite
- A*, GND
- Spannungsabgriffsposition
- B
- Batterie
- CU
- Steuereinrichtung
- D1, D2, D3, D4
- Diode
- DC1, DC2, ..., DCn
- Gleichspannungswandler
- E
- Eingangsseite
- FET1, FET2
- Transistor
- M', M", M1, M2, ..., Mn
- Messeinrichtung
- S
- Bordnetz
- SW1, SW2
- Schalter
- taus
- Ausschaltzeit
- tein
- Einschaltzeit
- UA1, UA2, ..., UAn
- Ausgangsspannung
- UE
- Batteriegesamtspannung
- US
- Bordnetzspannung
- UZ1, UZ2, ..., UZn
- Zellspannung
- Z1, Z2, ..., Zn
- Batteriezellen
