DE102016216058A1 - High-voltage system for a vehicle with electrified powertrain and method for operating the same - Google Patents

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Abstract

Hochvoltsystem für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang (1), wobei das Hochvoltsystem eine sekundäre Hochvoltbatterie (4) umfasst, wobei die Hochvoltbatterie zumindest zwei parallel schaltbare Hochvoltstränge (5, 6) umfasst, und das Hochvoltsystem eine jedem der parallel schaltbaren Hochvoltstränge zugeordnete Ladeschnittstelle (2, 3) zum elektrischen Laden der Hochvoltbatterie an einer externen Gleichstromquelle umfasst.High-voltage system for a vehicle with electrified powertrain (1), wherein the high-voltage system comprises a secondary high-voltage battery (4), wherein the high-voltage battery comprises at least two parallel switchable high-voltage lines (5, 6), and the high-voltage system one each of the parallel switchable high-voltage lines associated charging interface (2 , 3) for electrically charging the high-voltage battery to an external DC power source.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltsystem für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, wobei das Hochvoltsystem eine sekundäre Hochvoltbatterie umfasst, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Hochvoltsystems. The invention relates to a high-voltage system for a vehicle with an electrified powertrain, wherein the high-voltage system comprises a secondary high-voltage battery, and a method for operating such a high-voltage system.

Fahrzeuge mit elektrifiziertem Antriebsstrang umfassen in der Regel eine elektrische Hochvoltbatterie, die über ein Hochvoltladesystem des Fahrzeugs an eine externe Ladeeinheit angeschlossen und dieser aufgeladen werden kann. Zum Aufladen der Batterie solcher Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeuge existieren verschiedene konduktive, d.h. kabelgebundene, und induktive, d.h. kabellose, Ladetechnologien. Die Hochvoltbatterie und das Hochvoltladesystem sind Bestandteil eines Hochvoltsystems des Fahrzeugs. Beim sogenannten Wechselstromladen ist das Ladegerät, welches Gleichstrom zur Aufladung der Batterie erzeugt, Teil des Hochvoltsystems. Mit einem Ladekabel zwischen der externen Ladeeinheit und dem Fahrzeug wird Wechselstrom übertragen. Beim sogenannten Gleichstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, in der Ladeeinheit. Mit dem Ladekabel wird somit Gleichstrom übertragen. Das Laden an einer Gleichstromquelle kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn kurze Ladezeiten der Hochvoltbatterie erreicht werden sollen, siehe etwa das Dokument DE 102011082897 A1 . Vehicles with an electrified powertrain typically include a high voltage electric battery that can be connected to and charged to an external charging unit via a high voltage charging system of the vehicle. To charge the battery of such electric and / or hybrid vehicles, there are various conductive, ie wired, and inductive, ie wireless, charging technologies. The high-voltage battery and the high-voltage charging system are part of a high-voltage system of the vehicle. In the so-called AC charging, the charger, which generates DC power to charge the battery, is part of the high-voltage system. Alternating current is transmitted with a charging cable between the external charging unit and the vehicle. In the so-called DC charging is the charger, which generates the DC power for charging the electrical storage, in the charging unit. The charging cable thus transmits direct current. The charging at a DC power source is used in particular when short charging times of the high-voltage battery are to be achieved, see for example the document DE 102011082897 A1 ,

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Hochvoltsystem für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, wobei das Hochvoltsystem eine sekundäre Hochvoltbatterie umfasst, und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines solchen Hochvoltsystems bereitzustellen. It is an object of the invention to provide an improved high voltage system for an electrified powertrain vehicle, wherein the high voltage system comprises a secondary high voltage battery, and an improved method of operating such a high voltage system.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hochvoltsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by a high-voltage system according to claim 1 and a method according to claim 5. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst die Hochvoltbatterie zumindest zwei parallel schaltbare Hochvoltstränge und es umfasst das Hochvoltsystem zu jedem der parallel schaltbaren Hochvoltstränge eine zugeordnete Ladeschnittstelle zum elektrischen Laden der Hochvoltbatterie an einer externen Gleichstromquelle. According to the invention, the high-voltage battery comprises at least two parallel-connectable high-voltage strands, and the high-voltage system comprises an associated charging interface for each of the parallel-connectable high-voltage strands for electrically charging the high-voltage battery to an external direct current source.

Zwei schaltbare parallele Hochvoltstränge bedeutet, dass die Hochvoltbatterie zwei Stränge gleicher bzw. vergleichbarer Nennspannung aufweist, die parallel elektrisch miteinander verbunden werden können. Jeder der Hochvoltstränge ist selbst aus einer Serien- und ggf. zusätzlich Parallelschaltung von einzelnen Batteriemodulen aufgebaut, die wiederum bevorzugt Lithium-Ionen-Zellen in Serienschaltung beinhalten. Idealerweise haben die beiden Stränge vergleichbare elektrische Kenndaten, d.h. Nennspannung, Stromaufnahmefähigkeit und Nennkapazität. Two switchable parallel high-voltage strings means that the high-voltage battery has two strings of the same or comparable rated voltage, which can be electrically connected in parallel. Each of the high-voltage strands is itself constructed from a series and possibly additional parallel connection of individual battery modules, which in turn preferably contain lithium-ion cells connected in series. Ideally, the two strands have comparable electrical characteristics, i. Rated voltage, current capacity and rated capacity.

Jedem der Hochvoltstränge ist eine eigene Ladeschnittstelle zugeordnet, so dass jeder der Hochvoltstränge unabhängig von den weiteren Strängen mit Gleichstrom über die jeweilige Schnittstelle mit elektrischer Leistung versorgbar ist. Die Anzahl der Ladeschnittstellen entspricht also der Anzahl der parallel schaltbaren Hochvoltstränge und beträgt mindestens zwei. Each of the high-voltage strands is assigned its own charging interface, so that each of the high-voltage strands can be supplied with electrical power independently of the further strands with direct current via the respective interface. The number of charging interfaces thus corresponds to the number of parallel switchable high-voltage strands and is at least two.

Auf diese Weise kann die Ladezeit der gesamten Hochvoltbatterie beim Laden an einer Gleichstromquelle verkürzt werden. In erster Näherung kann bei zwei Ladeschnittstellen und zwei Hochvoltsträngen, die gleiche elektrische Parameter aufweisen, d.h. die Batterie in zwei Hochvoltstränge „halbiert“ wird, die Ladezeit der gesamten Hochvoltbatterie halbiert werden, da jeder der beiden Stränge an einer externen Gleichstromquelle mit der elektrischen Leistung geladen werden kann. Über eine solche Ladeschnittstelle wird nach dem Stand der Technik die gesamte Hochvoltbatterie geladen. In this way, the charging time of the entire high-voltage battery when charging to a DC power source can be shortened. As a first approximation, with two charging interfaces and two high-voltage strings having the same electrical parameters, i. halving the battery into two high-voltage strings, halves the charging time of the entire high-voltage battery, since each of the two strings can be charged with the electrical power at an external DC source. About such a charging interface, the entire high-voltage battery is charged according to the prior art.

Nach einer weiteren Variante der Erfindung umfasst das Hochvoltsystem eine schaltbare Schalteinheit, welche in einem geöffneten Zustand die Hochvoltstränge jeweils voneinander galvanisch trennt und in einem geschlossenen Zustand die Hochvoltstränge elektrisch miteinander verbindet. According to a further variant of the invention, the high-voltage system comprises a switchable switching unit which, in an open state, electrically isolates the high-voltage strands from one another and electrically interconnects the high-voltage strands in a closed state.

Im geöffneten Zustand sind also alle Hochvoltstränge zueinander galvanisch getrennt. Im geschlossenen Zustand sind alle Hochvoltstränge miteinander galvanisch verbunden. In the open state, therefore, all high-voltage strands are galvanically isolated from each other. When closed, all high-voltage strings are galvanically connected to each other.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist an jeder der zumindest zwei Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung mit einer externen Ladeeinheit einer externen Gleichstromquelle herstellbar, wobei bei hergestellter Ladeverbindung an jeder der Ladeschnittstellen die schaltbare Schalteinheit in den geöffneten Zustand schaltbar ist. According to one embodiment of the invention, a charging connection with an external charging unit of an external DC power source can be produced at each of the at least two charging interfaces, wherein when the charging connection is established at each of the charging interfaces, the switchable switching unit can be switched into the open state.

Dies bedeutet, dass jede der Ladeschnittstellen dazu eingerichtet ist, eine Ladeverbindung zu einer externen Ladeeinheit herzustellen, um über eine externe Leistungsquelle, z.B. ein öffentliches Stromnetz, elektrische Leistung als Gleichstrom bzw. Gleichspannung zu beziehen. Bei der Ladeschnittstelle kann es sich um eine fahrzeugseitige Ladesteckdose nach dem Stand der Technik handeln, die mit einem fahrzeugexternen Stecker nach dem Stand der Technik zum Laden verbunden werden kann. Es kann sich hierbei auch um normierte Stecksysteme handeln, die eine Erkennung der Herstellung der Ladeverbindung, z.B. mittels Powerline-Kommunikation, ermöglichen. Das Hochvoltsystem ist insbesondere dazu eingerichtet, eine hergestellte Ladeverbindung an jeder der Ladeschnittstellen zu erfassen und bei hergestellter Ladeverbindung an jeder der Ladeschnittstellen die Schalteinheit in den geöffneten Zustand zu schalten. Dann sind die Hochvoltstränge galvanisch getrennt und für jeden Hochvoltstrang ist an der zugeordneten Ladeschnittstelle eine Ladeverbindung hergestellt. This means that each of the charging interfaces is set up to make a charging connection to an external charging unit in order to obtain electrical power as direct current or DC voltage via an external power source, eg a public power grid. The charging interface can be a vehicle-side charging socket according to the prior art, which can be connected to a vehicle-external connector according to the prior art for charging. It can also be standardized plug-in systems act, which allow detection of the production of the charging connection, eg by means of powerline communication. In particular, the high-voltage system is set up to detect a manufactured charging connection at each of the charging interfaces and to switch the switching unit to the open state at each of the charging interfaces when the charging connection has been established. Then the high-voltage strands are galvanically isolated and for each high-voltage string, a charging connection is made at the associated charging interface.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei unterbrochener Ladeverbindung an einer der Ladeschnittstellen die schaltbare Schalteinheit in den geschlossenen Zustand schaltbar. According to a further embodiment of the invention, when the charging connection is interrupted at one of the charging interfaces, the switchable switching unit can be switched to the closed state.

Nach dieser Ausführungsform besteht eine galvanische Verbindung der Hochvoltstränge, sofern an einer der Ladeschnittstellen keine Ladeverbindung hergestellt ist. Mit anderen Worten kann nur dann jeder Hochvoltstrang über die diesem zugeordnete Ladeschnittstelle geladen werden, wenn an jeder der Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung hergestellt ist. Zum Schalten der Schalteinheit in den geschlossenen Zustand und in den geöffneten Zustand kann das Hochvoltsystem eine Steuereinheit umfassen, über welche die Schalteinheit ansteuerbar ist. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Herstellung einer Ladeverbindung an den Ladeschnittstellen zu erfassen, z.B. über eine Anbindung an eine jeweilige Powerline-Kommunikation zwischen der jeweiligen Ladesteckdose und einem fahrzeugexternen Ladestecker. According to this embodiment, there is a galvanic connection of the high-voltage strands, if no charge connection is made at one of the charging interfaces. In other words, each high-voltage string can only be charged via the charging interface assigned to it if a charging connection has been established at each of the charging interfaces. For switching the switching unit in the closed state and in the open state, the high-voltage system may comprise a control unit, via which the switching unit is controllable. The control unit may be adapted to detect the establishment of a charging connection at the charging interfaces, e.g. via a connection to a respective powerline communication between the respective charging socket and a vehicle-external charging plug.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, wobei das Fahrzeug eine sekundäre Hochvoltbatterie umfasst, die Hochvoltbatterie zumindest zwei parallel schaltbare Hochvoltstränge umfasst, das Hochvoltsystem jedem der parallel schaltbaren Hochvoltstränge eine zugeordnete Ladeschnittstelle zum elektrischen Laden der Hochvoltbatterie an einer externen Gleichstromquelle umfasst, und das Hochvoltsystem eine schaltbare Schalteinheit umfasst, welche in einem geöffneten Zustand die Hochvoltstränge jeweils voneinander galvanisch trennt und in einem geschlossenen Zustand die Hochvoltstränge elektrisch miteinander verbindet, mit den Schritten:

  • – Halten der Schalteinheit im geschlossenen Zustand in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs,
  • – Halten der Schalteinheit im geschlossenen Zustand in einem Ladebetrieb des Fahrzeugs, wenn eine der zugeordneten Ladeschnittstellen eine unterbrochene Ladeverbindung aufweist,
  • – Schalten der Schalteinheit in den geöffneten Zustand in einem Schnellladebetrieb des Fahrzeugs, wenn alle der zugeordneten Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung aufweisen, und
  • – Schalten der Schalteinheit in den geschlossenen Zustand des Fahrzeugs, sobald eine der zugeordneten Ladeschnittstellen eine unterbrochene Ladeverbindung aufweist.
The method according to the invention is a method for operating a high-voltage system for a vehicle with an electrified drive train, the vehicle comprising a secondary high-voltage battery, the high-voltage battery comprising at least two parallel-connected high-voltage trains, the high-voltage system an associated charging interface for electrically charging the high-voltage battery to each of the parallel-connectable high-voltage tracks an external DC power source, and the high-voltage system comprises a switchable switching unit, which in an open state, the high-voltage strands each electrically isolated from each other and in a closed state electrically connects the high-voltage strands, comprising the steps of
  • Holding the switching unit in the closed state in a driving operation of the vehicle,
  • Holding the switching unit in the closed state in a charging operation of the vehicle when one of the assigned charging interfaces has an interrupted charging connection,
  • Switching the switching unit to the open state in a rapid charging operation of the vehicle, when all of the associated charging interfaces have a charging connection, and
  • - Switching the switching unit in the closed state of the vehicle, as soon as one of the associated charging interfaces has an interrupted charging connection.

Bei dem Verfahren wird also der geöffnete Zustand der Schalteinheit nur dann hergestellt, wenn an allen Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung hergestellt ist. Dann können die Hochvoltstränge galvanisch voneinander getrennt geladen werden, wobei jeder Hochvoltstrang über die diesem zugeordnete Ladeschnittstelle geladen wird. Sobald eine Ladeverbindung unterbrochen ist, d.h. an einer der Ladeschnittstellen keine Ladeverbindung besteht, werden die Hochvoltstränge über die Schalteinheit wieder elektrisch parallel verbunden. Die Hochvoltbatterie wird dann als Gesamtspeicher und nicht in einzelnen Strängen geladen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch gewährleistet ist, dass die Schalteinheit nur zu Zeitpunkten schaltet, zu denen die Hochvoltstränge vergleichbare Ladezustände aufweisen. Galvanisch getrennte Hochvoltstränge mit unterschiedlichen Ladezuständen hart parallel zu verschalten, kann beim Schaltvorgang zu unerwünscht hohen Ausgleichsströmen führen. Die Hochvoltstränge sind insbesondere dann miteinander verschaltet, wenn das Fahrzeug in einem Fahrbetrieb befindlich ist. Auch in einem Ladebetrieb, d.h. wenn die Hochvoltbatterie geladen wird, ist vom geschlossenen Schaltzustand auszugehen. Die Hochvoltstränge werden nur dann galvanisch getrennt, wenn der Ladebetrieb derart ausgestaltet ist, dass alle Ladeschnittstellen eine hergestellte Ladeverbindung aufweisen. Dieser Ladebetrieb kann auch als Schnellladebetrieb bezeichnet werden. In the method, therefore, the opened state of the switching unit is produced only when a charging connection is made at all charging interfaces. Then the high-voltage strings can be charged galvanically separated from each other, each high-voltage string is loaded via the associated charge interface. Once a charging connection is interrupted, i. If there is no charging connection at one of the charging interfaces, the high-voltage strands are again electrically connected in parallel via the switching unit. The high-voltage battery is then charged as a total storage and not in individual strands. This has the advantage that this ensures that the switching unit only switches at times at which the high-voltage strands have comparable charging states. Galvanically isolated high-voltage lines with different states of charge hard to connect in parallel, can lead to undesirable high compensation currents during the switching process. The high-voltage trains are interconnected in particular when the vehicle is in a driving operation. Also in a loading mode, i. when the high-voltage battery is charged, it is assumed that the closed switching state. The high-voltage strands are only galvanically isolated when the charging operation is designed such that all charging interfaces have a manufactured charging connection. This charging operation can also be referred to as fast charging operation.

Das Verfahren kann dadurch ergänzt werden, dass die Hochvoltstränge beim Überschreiten einer vorgebbaren Ladezustandsdifferenz auch bei hergestellter Ladeverbindung an allen Ladeschnittstellen parallel geschaltet werden oder parallel geschaltet bleiben. Dies beruht darauf, dass einzelne Hochvoltstränge durch Zellalterung schadhaft sein können oder das Laden über die verschiedenen Ladeschnittstellen ungleichmäßig verläuft und sich während des Ladens unerwünscht hohe Ladezustandsunterschiede über die Hochvoltstränge einstellen. The method can be supplemented by the fact that the high-voltage strands are connected in parallel when switching over a predefinable state of charge difference even when the charging connection is established at all charging interfaces. This is due to the fact that individual high-voltage strands may be defective due to aging of the cell, or the charging over the various charging interfaces is uneven and undesirable high state of charge differences occur during charging over the high-voltage strands.

Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Derzeitige Elektrofahrzeuge wie Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV) oder reine Elektrofahrzeuge (battery electric vehicle, BEV) verfügen nach dem Stand der Technik über Lademöglichkeiten mit Wechselstrom (sogenanntes AC-Laden) in Leistungsbereichen 3,7 kW, 7 kW und 11 kW. Laden mit Gleichstrom (sogenanntes DC-Laden) ist in den Leistungsbereichen 20 kW, 50 kW und in Schnelllademodi bis zu 135 kW verfügbar. Die energetischen Batteriekapazitäten liegen üblicherweise im Bereich von 20–30 kWh, bei energieoptimierten Fahrzeugen in Einzelfällen bis zu 90 kWh. Die zukünftige Entwicklung der Batteriekapazitäten für BEV der nächsten Generation dürfte das Energiefenster in den Bereich von mindestens 70–80 kWh verschieben. Es ist davon auszugehen, dass eine maximale Ladeleistung für das Schnellladen bis ungefähr 350 kW realisiert werden kann. Dadurch ergibt sich eine Begrenzung der Ladezeit infolge der energetischen Kapazität der Batterien und der zur Verfügung stehenden Ladeleistung. Die maximale Ladeleistung ist durch den aufnahmefähigen Maximalstrom und die anlegbare Maximalspannung der Fahrzeugbatterie beschränkt. The invention is based on the following considerations:
Current electric vehicles such as plug-in hybrid vehicles (PHEV) or pure electric vehicles (battery electric vehicle, BEV) according to the prior art have charging options with AC (so-called AC charging) in power ranges 3.7 kW, 7 kW and 11 kW. Charging with direct current (so-called DC charging) is available in the power ranges 20 kW, 50 kW and in fast charging modes up to 135 kW. The energetic battery capacities are usually in the range of 20-30 kWh, at energy-optimized vehicles in individual cases up to 90 kWh. The future development of battery capacity for next-generation BEV is expected to shift the energy window to at least 70-80 kWh. It can be assumed that a maximum charging power for fast charging up to approximately 350 kW can be realized. This results in a limitation of the charging time due to the energy capacity of the batteries and the available charging power. The maximum charging power is limited by the receptive maximum current and the maximum voltage that can be applied to the vehicle battery.

Nachteilig daran ist, dass ein 70 kWh-Speicher mit einer Ladeleistung von 350 kW in minimal etwa 15 Minuten vollgeladen werden kann. Der konventionelle Tankvorgang von Fahrzeugen mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb dauert circa 5 Minuten, d.h. trotz Schnelladens dauert dies nur ein Drittel der Ladezeit eines BEV. Diese Ladezeit könnte von Nutzern von Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang im Vergleich zum Tankvorgang von verbrennungsmotorischen Fahrzeugen als zu langsam empfunden werden und somit ein Nutzungshemmnis bedeuten. The disadvantage of this is that a 70 kWh memory with a charging power of 350 kW can be fully charged in a minimum of about 15 minutes. The conventional refueling of vehicles with pure combustion engine drive takes about 5 minutes, i. despite fast loading this only takes a third of the loading time of a BEV. This charging time could be perceived by users of vehicles with electrified powertrain compared to the refueling of internal combustion engine vehicles to be too slow and thus a barrier to use.

Es wird deshalb vorgeschlagen, durch die Verwendung von mindestens zwei DC-Ladesteckern die Ladezeit bei einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang zu reduzieren. Ein solches Fahrzeug kann an mindestens zwei Ladesäulen gleichzeitig geladen werden. Durch die Verwendung von zwei Ladesteckern halbiert sich die Ladezeit. Bei Verwendung von mehreren Ladesteckern reduziert sich die Ladezeit proportional. Voraussetzung für die Möglichkeit zur Verwendung von mindestens zwei Ladesteckern ist, dass die Fahrzeugbatterie analog zur Steckeranzahl über parallele, schaltbare Batteriezweige verfügt. Die Parallelzweige der Batterie sind beim Laden mit mindestens zwei Ladesteckern galvanisch in zwei Zweige zu trennen. Diese galvanische Trennung geschieht durch einen Schalter, die beim Ladevorgang aktiviert werden. Somit wird mit über jeden am Fahrzeug angelegten Ladestecker ein paralleler Batteriestrang unabhängig von den anderen Batteriezweigen geladen. Es ergibt sich für einen 70 kWh-Speicher bei einer Ladeleistung von 350 kW je Strang somit eine Ladezeit von 7 Minuten je Strang und damit für den gesamten Speicher. It is therefore proposed to reduce the charging time in a vehicle with an electrified powertrain through the use of at least two DC charging plugs. Such a vehicle can be charged simultaneously to at least two charging stations. By using two charging plugs, the charging time is halved. When using multiple charging plugs, the charging time is reduced proportionally. A prerequisite for the possibility of using at least two charging plugs is that the vehicle battery has parallel, switchable battery branches in the same way as the number of plugs. The parallel branches of the battery should be galvanically separated into two branches when charging with at least two charging plugs. This galvanic isolation is done by a switch, which are activated during the charging process. Thus, with each charging plug applied to the vehicle, a parallel battery string is charged independently of the other battery branches. The result for a 70 kWh storage with a charging power of 350 kW per strand thus a charging time of 7 minutes per strand and thus for the entire memory.

Die Beschränkung der Ladeleistung, d.h. maximale Ladespannung und maximaler Ladestrom, und damit die minimal mögliche Ladezeit wird durch die Verwendung von mindestens zwei Ladesteckern und Schaltern zwischen den parallelen Batteriezweigen relativ reduziert. Die Ladeleistung kann somit mindestens verdoppelt und die Ladezeit mindestens halbiert werden. Der erfinderische Ansatz bezieht sich auf die Verwendung von mindestens zwei Ladesteckern, sowie der galvanischen Trennung der parallelen Batteriezweige zur Verwendung von mindestens zwei Ladesteckern. Am Beispiel der Ladeleistung 50 kW mit einer Ladespannung von circa 400 V bei einem maximalen Strom von 125 A bis zu einer Ladespannung von circa 800 V bei einem maximalen Strom von 62,5 A ist es dadurch möglich, die Ladeleistung pro Fahrzeug auf 100 kW zu verdoppeln und damit die Ladezeit zu halbieren. Bei einem Speicher von 20 kWh entspräche das einer Reduzierung der Ladezeit von etwa 30 Minuten auf 15 Minuten. Je größere Kapazitäten künftige Batterien aufweisen, umso vorteilhafter ist es, diese mehrsträngig, d.h. mit parallelen Batteriezweigen auszuführen. Besonders geschickt ist es, diese Stränge auch parallel zu laden. The limitation of the charging power, i. maximum charging voltage and maximum charging current, and thus the minimum possible charging time is relatively reduced by the use of at least two charging plugs and switches between the parallel battery branches. The charging power can thus be at least doubled and the charging time at least halved. The inventive approach relates to the use of at least two charging plugs, as well as the galvanic isolation of the parallel battery branches for use of at least two charging plugs. Using the example of the charging power 50 kW with a charging voltage of approximately 400 V at a maximum current of 125 A up to a charging voltage of approximately 800 V at a maximum current of 62.5 A, it is possible to increase the charging power per vehicle to 100 kW double and thus halve the loading time. With a storage of 20 kWh this would reduce the charging time from about 30 minutes to 15 minutes. The greater the capacity of future batteries, the more advantageous it is to have them multi-stranded, i. with parallel battery branches. It is particularly clever to load these strands in parallel.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche technische Gegenstände. Im Einzelnen zeigen schematisch Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and further developments of the invention. The same reference numerals represent the same technical objects. In detail, show schematically

1 Fahrzeug mit Hochvoltbatterie und zwei Ladeschnittstellen 1 Vehicle with high-voltage battery and two charging interfaces

2 Hochvoltsystem für ein Fahrzeug mit Hochvoltbatterie und zwei Ladeschnittstellen und parallel geschalteten Hochvoltsträngen der Hochvoltbatterie 2 High-voltage system for a vehicle with a high-voltage battery and two charging interfaces and parallel-connected high-voltage cables of the high-voltage battery

3 Hochvoltsystem für ein Fahrzeug mit Hochvoltbatterie und zwei Ladeschnittstellen und galvanisch voneinander getrennten Hochvoltsträngen der Hochvoltbatterie 3 High-voltage system for a vehicle with a high-voltage battery and two charging interfaces and galvanically separated high-voltage lines of the high-voltage battery

Es zeigt 1 ein Fahrzeug (1) mit einem elektrifizierten Antriebsstrang und einem Hochvoltsystem. Das Hochvoltsystem umfasst eine Hochvoltbatterie (4) und der Hochvoltbatterie zugeordnete Ladeschnittstellen (2, 3) zum Laden der Hochvoltbatterie an einer externen Gleichstromquelle. Gemäß 2 und 3 weist die Hochvoltbatterie zwei Hochvoltstränge (5, 6) auf, die über eine Schalteinheit in einem geöffneten Schaltzustand (7) der Schalteinheit galvanisch voneinander getrennt werden können und in einem geschlossenen Schaltzustand (7‘) der Schalteinheit elektrisch miteinander verbunden werden kann, d.h. elektrisch parallel geschaltet werden. Die Hochvoltbatterie ist also in zwei parallele Stränge auftrennbar. Die beiden Stränge sind identisch aufgebaut, d.h. weisen dieselbe elektrische Verschaltung von baugleichen elektrochemischen Zellen – hier Lithium-Ionen-Zellen – auf. Demzufolge haben die Hochvoltstränge gleiche elektrische Parameter wie Nennspannung und Nennkapazität. Im elektrisch verbundenen Zustand bilden die Hochvoltstränge die Hochvoltbatterie. In einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs sind die Hochvoltstränge verbunden und über den elektrifizierten Antriebsstrang und weitere Hochvoltverbraucher wird der Batterie elektrische Energie entnommen. Durch Rekuperation kann teilweise elektrische Energie zurückgeführt werden. Bei leerer Hochvoltbatterie kann diese an einer externen Gleichstromquelle schnell geladen werden. Das Schnelladen erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel über beide Ladeschnittstellen. Dies bedeutet dass an beiden Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung (8, 10) hergestellt wird. Die Herstellung der Ladeverbindung erfolgt jeweils mittels eines kabelgebundenen, fahrzeugexternen Ladesteckers (9, 11), der mit der Ladeschnittstelle des Fahrzeugs, die als eine entsprechende Ladesteckdose ausgeführt ist, kompatibel ist. Die Herstellung der Ladeverbindung kann etwa durch Powerline-Kommunikation durch eine Steuereinheit des Hochvoltsystems erfasst werden. Falls an allen Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung hergestellt ist, werden die Hochvoltstränge galvanisch getrennt. Sobald eine Ladeverbindung unterbrochen ist, d.h. nicht an jeder Ladeschnittstelle eine Ladeverbindung hergestellt ist, werden die Hochvoltstränge parallel geschaltet. Im geöffneten Schaltzustand können die einzelnen Stränge der Batterie jeweils über eine eigene Ladeschnittstelle geladen werden. Dadurch wird die Ladezeit halbiert – im Vergleich zum Laden der gesamten Hochvoltbatterie über nur eine Ladeschnittstelle. Nach dem Laden, d.h. sobald die erste Ladeschnittstelle unterbrochen wird, werden die Hochvoltstränge elektrisch verbunden. Auf diese Weise kann die Hochvoltbatterie beispielsweise bei nur einer verfügbaren Ladeeinheit mit elektrisch verbundenen Hochvoltsträngen geladen werden und bei einer zweiten verfügbaren Ladeeinheit gleicher Ladeleistung bei galvanisch getrennten Hochvoltsträngen in der Hälfte der Ladezeit schnell geladen werden. It shows 1 a vehicle ( 1 ) with an electrified powertrain and a high-voltage system. The high-voltage system includes a high-voltage battery ( 4 ) and the high-voltage battery associated charging interfaces ( 2 . 3 ) for charging the high-voltage battery to an external DC power source. According to 2 and 3 the high-voltage battery has two high-voltage strings ( 5 . 6 ), which via a switching unit in an open switching state ( 7 ) of the switching unit can be galvanically separated from each other and in a closed switching state ( 7 ' ) of the switching unit can be electrically connected to each other, that are electrically connected in parallel. The high-voltage battery can therefore be separated into two parallel strands. The two strings are identically constructed, ie have the same electrical connection of identical electrochemical cells - here lithium-ion cells - on. As a result, the high-voltage strings have the same electrical parameters as rated voltage and rated capacity. In the electrically connected state, the high-voltage strands form the high-voltage battery. In a driving operation of the vehicle are the high-voltage strands connected and via the electrified powertrain and other high-voltage consumers the battery is taken electrical energy. By recuperation partial electrical energy can be recycled. When the high-voltage battery is empty, it can be quickly charged to an external DC power source. The fast-charging takes place according to this embodiment via both charging interfaces. This means that at both charging interfaces a charging connection ( 8th . 10 ) will be produced. The charging connection is made in each case by means of a wired, vehicle-external charging plug ( 9 . 11 ), which is compatible with the charging interface of the vehicle, which is designed as a corresponding charging socket. The production of the charging connection can be detected, for example, by powerline communication by a control unit of the high-voltage system. If a charging connection is established at all charging interfaces, the high-voltage cables are galvanically separated. As soon as a charging connection is interrupted, ie a charging connection is not established at each charging interface, the high-voltage lines are connected in parallel. In the open switching state, the individual strings of the battery can each be charged via its own charging interface. This halves the charging time compared to charging the entire high-voltage battery via just one charging interface. After charging, ie as soon as the first charging interface is interrupted, the high-voltage strands are electrically connected. In this way, the high-voltage battery can be charged, for example, in only one available charging unit with electrically connected high-voltage lines and quickly loaded in a second available charging unit same charging power with galvanically isolated high-voltage lines in half the charging time.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (5)

Hochvoltsystem für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang (1), wobei das Hochvoltsystem eine sekundäre Hochvoltbatterie (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Hochvoltbatterie zumindest zwei parallel schaltbare Hochvoltstränge (5, 6) umfasst, und – das Hochvoltsystem eine jedem der parallel schaltbaren Hochvoltstränge zugeordnete Ladeschnittstelle (2, 3) zum elektrischen Laden der Hochvoltbatterie an einer externen Gleichstromquelle umfasst. High-voltage system for a vehicle with electrified powertrain ( 1 ), the high-voltage system being a secondary high-voltage battery ( 4 ), characterized in that - the high-voltage battery has at least two parallel-connectable high-voltage strands ( 5 . 6 ), and - the high-voltage system has a charge interface assigned to each of the parallel-connectable high-voltage lines ( 2 . 3 ) for electrically charging the high-voltage battery to an external DC power source. Hochvoltsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Hochvoltsystem eine schaltbare Schalteinheit umfasst, welche in einem geöffneten Zustand (7) die Hochvoltstränge jeweils voneinander galvanisch trennt und in einem geschlossenen Zustand (7‘) die Hochvoltstränge elektrisch miteinander verbindet. High-voltage system according to claim 1, characterized in that - the high-voltage system comprises a switchable switching unit, which in an opened state ( 7 ) the high-voltage strands each galvanically separated from each other and in a closed state ( 7 ' ) electrically connects the high-voltage strands. Hochvoltsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – an jeder der zumindest zwei Ladeschnittstellen (2, 3) eine Ladeverbindung (8, 10) mit einer externen Ladeeinheit (9, 11) einer externen Gleichstromquelle herstellbar ist, und – bei hergestellter Ladeverbindung an jeder der Ladeschnittstellen die schaltbare Schalteinheit in den geöffneten Zustand schaltbar ist. High-voltage system according to claim 2, characterized in that - at each of the at least two charging interfaces ( 2 . 3 ) a charging connection ( 8th . 10 ) with an external charging unit ( 9 . 11 ) of an external DC power source can be produced, and - when the charging connection is established at each of the charging interfaces, the switchable switching unit can be switched into the open state. Hochvoltsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – bei unterbrochener Ladeverbindung an einer der Ladeschnittstellen die schaltbare Schalteinheit in den geschlossenen Zustand schaltbar ist. High-voltage system according to claim 3, characterized in that - when the charging connection is interrupted at one of the charging interfaces, the switchable switching unit can be switched into the closed state. Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang (1), wobei das Hochvoltsystem eine sekundäre Hochvoltbatterie (4) umfasst, die Hochvoltbatterie zumindest zwei parallel schaltbare Hochvoltstränge (5, 6) umfasst, das Hochvoltsystem eine jedem der parallel schaltbaren Hochvoltstränge zugeordnete Ladeschnittstelle (2, 3) zum elektrischen Laden der Hochvoltbatterie an einer externen Gleichstromquelle umfasst, und das Hochvoltsystem eine schaltbare Schalteinheit umfasst, welche in einem geöffneten Zustand (7) die Hochvoltstränge jeweils voneinander galvanisch trennt und in einem geschlossenen Zustand (7‘) die Hochvoltstränge elektrisch miteinander verbindet, mit den Schritten: – Halten der Schalteinheit im geschlossenen Zustand in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs, – Halten der Schalteinheit im geschlossenen Zustand in einem Ladebetrieb des Fahrzeugs, wenn eine der zugeordneten Ladeschnittstellen eine unterbrochene Ladeverbindung aufweist, – Schalten der Schalteinheit in den geöffneten Zustand in einem Ladebetrieb des Fahrzeugs, wenn alle der zugeordneten Ladeschnittstellen eine Ladeverbindung aufweisen, und – Schalten der Schalteinheit in den geschlossenen Zustand in einem Ladebetrieb des Fahrzeugs, wenn eine der zugeordneten Ladeschnittstellen eine unterbrochene Ladeverbindung aufweist. Method for operating a high-voltage system for a vehicle with an electrified drivetrain ( 1 ), the high-voltage system being a secondary high-voltage battery ( 4 ), the high-voltage battery has at least two parallel-connectable high-voltage strands ( 5 . 6 ), the high-voltage system comprises a charging interface assigned to each of the parallel-connectable high-voltage strands ( 2 . 3 ) for electrically charging the high-voltage battery to an external DC power source, and the high-voltage system comprises a switchable switching unit which in an open state ( 7 ) the high-voltage strands each galvanically separated from each other and in a closed state ( 7 ' ) electrically interconnecting the high-voltage strands, comprising the steps of: - keeping the switching unit in a closed state in a driving operation of the vehicle, - keeping the switching unit in a closed state in a loading operation of the vehicle, if one of the associated charging interfaces has an interrupted charging connection, - switching the Switching unit in the open state in a loading operation of the vehicle when all of the associated charging interfaces have a charging connection, and - switching the switching unit in the closed state in a charging operation of the vehicle when one of the associated charging interfaces has an interrupted charging connection.
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