DE102016220120A1

DE102016220120A1 - Energieversorgungssystem

Info

Publication number: DE102016220120A1
Application number: DE102016220120.4A
Authority: DE
Inventors: Dustin Wuttke; Florian Kühnlenz; Nico Hagemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (BZ1-BZn), wobei die Reihenschaltung eine Strangspannung (U) zur Verfügung stellt, wobei an der Reihenschaltung ein Spannungsabgriff (2) angeordnet ist, wobei zwischen einer untersten Batteriezelle (BZ1) und dem Spannungsabgriff (2) eine erste Teil-Strangspannung (U1) und zwischen dem Spannungsabgriff (2) und der obersten Batteriezelle (BZn) eine zweite Teil-Strangspannung (U2) anliegt, wobei das Energieversorgungssystem (1) einen DC/DC-Wandler (6) aufweist, der eine Eingangsseite (7) und eine Ausgangsseite (8) aufweist, sowie einen Spannungsabgriff (3) für die Strangspannung (U) aufweist, wobei an der Eingangsseite (7) des DC/DC-Wandlers (6) die zweite Teil-Strangspannung (U2) und an der Ausgangsseite (8) die erste Teil-Strangspannung (U1) anliegt, wobei der DC/DC-Wandler (6) als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (6) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Aufgrund der Zunahme von elektrischen Verbrauchern steigt der elektrische Energiebedarf von Bordnetzen in Kraftfahrzeugen. Dabei kommen die herkömmlichen 12 V Bordnetze an ihre Grenzen, da aufgrund der begrenzten Spannung der Strom entsprechend ansteigt.
Daher sind Bordnetze mit zwei Spannungsebenen vorgeschlagen worden. Diese weisen beispielsweise eine 12 V Batterie und eine 48 V Batterie auf, die über einen DC/DC-Wandler miteinander verbunden sind. Dabei kann dann ein 48 V Generator verwendet werden. Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf können dann im 48 V Bordnetz angeordnet sein, wohingegen die anderen Verbraucher wie beispielsweise Steuergeräte im 12 V Bordnetz angeordnet sind, wobei die 12 V Batterie über den DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller geladen werden kann. Allerdings steigt das Gewicht (zwei Batterien und ein DC/DC-Wandler) eines solchen Bordnetzes, was wiederum zu einem Mehrverbrauch von Kraftstoff führt.
Aus der DE 10 2012 015 921 A1 oder DE 10 2012 007 225 A1 sind Energieversorgungssysteme, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bekannt, umfassend eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, wobei die Reihenschaltung eine Strangspannung von beispielsweise 48 V zur Verfügung stellt. Dabei ist an der Reihenschaltung ein Spannungsabgriff angeordnet, wobei zwischen einer untersten Batteriezelle und dem Spannungsabgriff eine erste Teil-Strangspannung von ca. 10 V und zwischen dem Spannungsabgriff und der obersten Batteriezelle eine zweite Teil-Strangspannung von 38 V anliegt. Dabei weist das Energieversorgungssystem einen DC/DC-Wandler auf, wobei an einer Eingangsseite die Strangspannung anliegt und an der Ausgangsseite das 12 V Bordnetz, wobei das Bordnetz über eine Parallelschaltung von Schalter und Diode mit dem Spannungsabgriff verbunden ist. Bei Ausfall des DC/DC-Wandlers kann dann das 12 V Bordnetz direkt über den ersten Teil-Strang versorgt werden. Der Vorteil dieser Verschaltung ist, dass mit nur einer Batterie die zwei Spannungsebenen gebildet werden, wobei die 12 V Bordnetzverbraucher auch bei deaktiviertem DC/DC-Wandler durch die erste Teil-Strangspannung versorgt werden können.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein solches Energieversorgungssystem weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des Gewichts und der Leistung.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Energieversorgungssystem umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, wobei die Reihenschaltung eine Strangspannung zur Verfügung stellt. Dabei können auch einzelne Batteriezellen zusätzlich parallel geschaltet sein, um die Kapazität zu erhöhen. An der Reihenschaltung ist ein Spannungsabgriff angeordnet, wobei zwischen einer untersten Batteriezelle, die vorzugsweise mit Masse verbunden ist, und dem Spannungsabgriff eine erste Teil-Strangspannung und zwischen dem Spannungsabgriff und der obersten Batteriezelle eine zweite Teil-Strangspannung anliegt. Das Energieversorgungssystem weist einen DC/DC-Wandler auf, der eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite aufweist. Weiter weist das Energieversorgungssystem einen Spannungsabgriff für die Strangspannung auf. An der Eingangsseite des DC/DC-Wandlers liegt die zweite Teil-Strangspannung und an der Ausgangsseite liegt die erste Teil-Strangspannung an, wobei der DC/DC-Wandler als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Verschaltung ist, dass der Wandelfaktor geringer ist, da nicht von der kompletten Strangspannung gewandelt wird, sondern nur von der zweiten zur ersten Teil-Strangspannung. Bei einem 12 V/48 V Bordnetz würde dann der Wandelfaktor nicht vier, sondern nur drei betragen (36 V zu 12 V). Entsprechend kleiner können die Induktivitäten gewählt werden, was Gewicht einspart. Auch die Absolutverluste beim Wandeln der Spannung sind geringer. Beides hilft, Kraftstoff zu sparen. Da die beiden Teil-Strangspannungen kein gemeinsames Bezugspotential aufweisen, muss der DC/DC-Wandler galvanisch getrennt ausgebildet sein, was aber auch Vorteile hinsichtlich eines Überspannungsschutzes für die Verbraucher auf der niedrigeren Spannungsebene bewirkt. Zudem lassen sich durch diese Verschaltung die Teilstränge separat ansteuern was eine unterschiedlichen Betrieb der Teilstränge möglich macht und damit eine unterschiedliche Auslegung der Teilstränge sinnvoll werden lässt.
In einer Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler als galvanisch getrennter, bidirektionaler DC/DC-Wandler, vorzugsweise als Gegentaktflusswandler mit beidseitiger Vollbrückenansteuerung, ausgebildet. Durch die Ausbildung als bidirektionaler DC/DC-Wandler kann die Energie zwischen den beiden Teil-Strängen nahezu beliebig umgeladen werden, sodass situativ jeweils der SOC der Batteriezellen optimal eingestellt und die Leistung im Gesamtsystem optimal verteilt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Batteriezellen im ersten Teilstrang und im zweiten Teilstrang eine unterschiedliche Batteriezellen-Technologie auf, die dann für die jeweilige Aufgabe optimiert ausgewählt werden können. Vorzugsweise sind dabei die Batteriezellen im ersten Teilstrang Li-Ionen-Batteriezellen (weiter vorzugsweise Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen) und im zweiten Teilstrang Li-Ionen-Batteriezellen (weiter vorzugsweise Nickel-Mangan-Cobaltoxid-Batteriezellen).
Alternativ können die Batteriezellen alle auf der gleichen Batteriezellentechnologie (Zellchemie) beruhen, wobei unterschiedliche Parameter (z.B. Kapazität) möglich sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Energieversorgungssystem als eine Baueinheit ausgebildet, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Somit kann das Energieversorgungssystem sehr kompakt mit beispielsweise einer gemeinsamen Kühleinrichtung ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem eine Steuereinheit für den DC/DC-Wandler auf, die derart ausgebildet ist, dass die Steuereinheit den DC/DC-Wandler mindestens in Abhängigkeit der Spannungslagen im ersten und zweiten Teilstrang ansteuert.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die erste Teil-Strangspannung 12 V und die zweite Teil-Strangspannung 36 V.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems in einer ersten Darstellungsform und
2 ein schematisches Blockschaltbild des Energieversorgungssystems in einer zweiten Darstellungsform.

In 1 und 2 ist ein elektrisches Energieversorgungssystem 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das elektrische Energieversorgungssystem 1 umfasst eine Anzahl von Batteriezellen BZ1 bis BZn, die in Reihe geschaltet sind. Dabei liegt die unterste Batteriezelle BZ1 auf Masse. Zwischen einer beliebigen Batteriezelle BZk und einer in der Reihenschaltung höher angeordneten Batteriezelle BZk+1 liegt ein Spannungsabgriff 2. Des Weiteren liegt hinter der obersten Batteriezelle BZn der Reihenschaltung ein weiterer Spannungsabgriff 3. Zwischen dem Spannungsabgriff 3 und Masse liegt dann eine Strangspannung U der Reihenschaltung an. Zwischen dem Spannungsabgriff 2 hinter der Batteriezelle BZk und Masse liegt eine erste Teil-Strangspannung U1 und zwischen dem Spannungsabgriff 3 und dem Spannungsabgriff 2 liegt eine zweite Teil-Strangspannung U2 an, wobei gilt: U=U1+U2. Dabei ist U1 vorzugsweise kleiner als U2, wobei U1 beispielsweise 12 V und U2 beispielsweise 36 V beträgt. Die ersten Batteriezellen BZ1 bis BZk bilden dabei einen ersten Teilstrang 4. Die Batteriezellen BZk+1 bis BZn bilden einen zweiten Teilstang 5. Weiter weist das Energieversorgungssystem 1 einen galvanisch getrennten bidirektionalen DC/DC-Wandler 6 auf, der eine Eingangsseite 7 und eine Ausgangsseite 8 aufweist, wobei diese Bezeichnungen nur der Orientierung dienen, da aufgrund der bidirektionalen Ausbildung des DC/DC-Wandlers 6 die Eingangsspannung an beiden Seite anliegen kann. Dabei liegt an der Seite 7 die zweite Teil-Strangspannung U2 und an der anderen Seite 8 die erste Teil-Strangspannung U1 an. Ist die zweite Teil-Strangspannung U2 die Eingangsspannung, so wird der DC/DC-Wandler 6 als Tiefsetzsteller betrieben. Ist hingegen die erste Teil-Strangspannung U1 die Eingangsspannung, so wird der DC/DC-Wandler 6 als Hochsetzsteller betrieben.
Weiter weist das Energieversorgungssystem 1 eine Steuereinheit 9 auf, die in Abhängigkeit von Eingangssignalen E Steuersignale S für den DC/DC-Wandler 6 erzeugt, um beispielsweise die Wandlungsrichtung einzustellen. Die Eingangssignale E sind beispielsweise die Teil-Strangspannungen U1, U2. Weiter kann die Steuereinheit 9 die Überwachung der Teilstränge und/oder des Energieversorgungssystems 1 übernehmen. Beispielsweise übernimmt dabei die Steuereinheit 9 zusätzlich die Ansteuerung von Kühleinrichtungen wie z. B. Lüfter.
Schließlich kann die Steuereinheit 9 derart ausgebildet sein, dass Energiemanagement des Kraftfahrzeuges durchzuführen (z. B. welche Verbraucher mit welcher Leistung angesteuert werden.
Die Batteriezellen BZ1 bis BZk im ersten Teilstrang 4 können dabei eine unterschiedliche Batteriezellentechnologie aufweisen als die Batteriezellen BZk+1 bis BZn im zweiten Teilstrang 5. Beispielsweise sind die Batteriezellen BZ1 bis BZk im ersten Teilstrang 4 Li-Ionen-Batteriezellen mit Lithium-Eisenphosphat-Kathode, wohingegen die Batteriezellen BZk+1 bis BZn im zweiten Teilstrang 5 Li-Ionen-Batteriezellen mit Nickel-Mangan-Cobaltoxid-Kathode sind. Die elektrische Energieversorgungseinheit 1 ist dabei als eine Baueinheit ausgebildet, die in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet ist, wobei die Spannungsabgriffe 2, 3 sowie der Masseanschluss nach außen geführt sind. Somit kann eine gemeinsame Kühleinrichtung (z.B. ein Lüfter) für das komplette System 1 verwendet werden. Über den Spannungsabgriff 2 kann dann ein erstes Bordnetz und über den Spannungsabgriff 3 ein zweites Bordnetz versorgt werden.
Der Vorteil dieses Energieversorgungssystems 1 gegenüber einem System, bei dem die Strangspannung U die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers ist, ist der geringere Wandlungsfaktor, beispielsweise drei (36/12) gegenüber vier (48/12). Dies erlaubt die Verwendung kleinerer Induktivitäten, was wiederum Gewicht und somit Kraftstoff spart. Auch sind die Verluste geringer. Ein weiterer Vorteil ist, dass so die Verwendung von unterschiedlichen Batteriezellen in einem Strang besser handhabbar ist, da beispielsweise situativ auftretende unterschiedliche Belastungen aufgrund der unterschiedlichen Technologien oder unterschiedlichen Auslegung der Batteriezellen gleicher Technologie durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler 6 ausgeglichen werden können.
Der erste Teilstrang 4 kann somit optimal an die Anforderungen eines Bordnetzes mit 12 V Verbrauchern ausgelegt werden, wobei der zweite Teilstrang 5 optimal an die Anforderungen der 48 V Verbraucher ausgelegt werden kann.
Die Verschaltung innerhalb des Energieversorgungssystems 1 erlaubt die beiden Teilstränge 4, 5 sowohl gemeinsam, als auch separat anzusteuern. Um dieses, und damit die unterschiedliche Auslegung der Batteriezellen BZ1-BZn, optimal im Betrieb nutzen zu können muss die Steuereinheit 9 die unterschiedlichen Zustände in denen sich das Gesamtsystems befinden kann, erfassen und die Regelung entsprechend anpassen. Dazu sei für jeden Teilstrang 4, 5 eine eigene Betriebsstrategie hinterlegt, welcher an den Zustand des Teilstrangs 4, 5 gekoppelt sei. Der Zustand eines Teilstrangs 4, 5 kann beispielsweise dadurch beschrieben werden, dass man den gesamten SOC Bereich unterschiedlichen Teilbereiche einteilt, für die unterschiedliche Betriebsarten gewünscht sind. Der Zustand des gesamten Zellstrangs lässt sich durch eine Matrix beschreiben die sich aus den Zuständen der Teilstränge 4, 5 ergibt. Die Zustände eines Teilstrangs geben also die Zeilen vor und die Zustände des anderen die Spalten. Die sich so ergebende Matrix beschreibt die Zustände der Batterie in Abhängigkeit der Teilstränge 4, 5. Dieser Matrix kann nun in jedem Feld eine Betriebsstrategie zugeordnet werden, die die Möglichkeiten die Energie durch die Batterie zu führen umfasst und die für die Fahrsituation und energetisch sinnvollste auswählt und die Ansteuerung des DC/DC-Wandlers 6 entsprechend durchführt. Die Regelung berücksichtigt hier also mehrere unterschiedliche Betriebsstrategien innerhalb einer Reihenschaltung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012015921 A1 [0004]
DE 102012007225 A1 [0004]

Claims

Energieversorgungssystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (BZ1-BZn), wobei die Reihenschaltung eine Strangspannung (U) zur Verfügung stellt, wobei an der Reihenschaltung ein Spannungsabgriff (2) angeordnet ist, wobei zwischen einer untersten Batteriezelle (BZ1) und dem Spannungsabgriff (2) eine erste Teil-Strangspannung (U1) und zwischen dem Spannungsabgriff (2) und der obersten Batteriezelle (BZn) eine zweite Teil-Strangspannung (U2) anliegt, wobei das Energieversorgungssystem (1) einen DC/DC-Wandler (6) aufweist, der eine Eingangsseite (7) und eine Ausgangsseite (8) aufweist, sowie einen Spannungsabgriff (3) für die Strangspannung (U) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eingangsseite (7) des DC/DC-Wandlers (6) die zweite Teil-Strangspannung (U2) und an der Ausgangsseite (8) die erste Teil-Strangspannung (U1) anliegt, wobei der DC/DC-Wandler (6) als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (6) ausgebildet ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (6) als bidirektionaler DC/DC-Wandler (6) ausgebildet ist.
Energieversorgungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (BZ1-BZk) im ersten Teilstrang (4) und die Batteriezellen (BZk+1-BZn) im zweiten Teilstrang (5) eine unterschiedliche Batteriezellen-Technologie aufweisen.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (BZ1-BZk) im ersten Teilstrang (4) Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen sind und die Batteriezellen (BZk+1-BZn) im zweiten Teilstrang (5) Nickel-Mangan-Cobaltoxid-Batteriezellen sind.
Energieversorgungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) als eine Baueinheit ausgebildet ist.
Energieversorgungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) eine Steuereinheit (9) für den DC/DC-Wandler (6) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass die Steuereinheit (9) den DC/DC-Wandler (6) mindestens in Abhängigkeit der Spannungslagen im ersten Teilstrang (4) und im zweiten Teilstrang (5) ansteuert.
Energieversorgungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teil-Strangspannung (U1) 12 V und die zweite Teil-Strangspannung (U2) 36 V beträgt.
Energieversorgungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) derart ausgebildet ist, für die Teilstränge (4, 5) unterschiedliche Betriebsstrategien zu berücksichtigen und die Energieführung entsprechend zu steuern.