DE102016224005A1

DE102016224005A1 - Elektrische Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102016224005A1
Application number: DE102016224005.6A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Rothe
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer an eine elektrische Anlage angeschlossenen elektrischen Energiespeichereinrichtung (10), bei der ein erstes Batterieelement (16) und ein zweites Batterieelement (18) mittels einer an das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) angeschlossenen Schalteinheit (20) mit der elektrischen Anlage elektrisch gekoppelt werden, wenn die Schalteinheit (20) einen ersten Schaltzustand einnimmt, wobei die Schalteinheit (20) im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) parallelschaltet und die Parallelschaltung mit der elektrischen Anlage elektrisch koppelt und in einem zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) in Reihe schaltet und die Reihenschaltung mit einer Ladeeinrichtung elektrisch koppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit einer Betriebsanschlusseinheit zum elektrischen Koppeln der elektrischen Energiespeichereinrichtung an eine elektrische Anlage, einem ersten Batterieelement und einem zweiten Batterieelement sowie einer an das erste und das zweite Batterieelement und die Betriebsanschlusseinheit angeschlossenen Schalteinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer an eine elektrische Anlage angeschlossenen elektrischen Energiespeichereinrichtung, bei dem ein erstes Batterieelement und ein zweites Batterieelement mittels einer an das erste und das zweite Batterieelement angeschlossenen Schalteinheit mit der elektrischen Anlage elektrisch gekoppelt werden, wenn die Schalteinheit einen ersten Schaltzustand einnimmt.
Elektrische Anlagen, Kraftfahrzeuge mit elektrischen Anlagen, sowie Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Die elektrische Anlage dient der Verteilung von elektrischer Energie zwischen von der elektrischen Anlage umfassten elektrischen Einheiten, beispielsweise elektrischen Antrieben, elektrischen Energiespeichern, Fahrzeugleuchten des Kraftfahrzeugs, insbesondere Fahrzeugscheinwerfer, und/oder dergleichen. Solche Einheiten können neben einem weiteren elektrischen Energiespeicher, einer Energiequelle, wie einem Solar-Modul oder dergleichen, auch eine oder mehrere elektrische Antriebseinheiten sein, die dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen, wenn es als elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Die elektrische Antriebseinheit umfasst in der Regel eine rotierende elektrische Maschine, die vorzugsweise mittels eines Energiewandlers an die elektrische Anlage angeschlossen ist. Darüber hinaus kann eine Reihe weiterer elektrischer Einheiten, beispielsweise eine Beleuchtungseinheit, Scheinwerfer, eine Innenbeleuchtung und/oder dergleichen, aber auch Funktionseinheiten wie ein Autoradio, ein Navigationsgerät, ein elektrisch angetriebener Klimakompressor, elektrische Fensterheber und/oder dergleichen vorgesehen sein.
Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, welches sowohl mittels der elektrischen Maschine als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet.
Elektrische Anlagen umfassen häufig eine elektrische Energiespeichereinrichtung oder sind zumindest an eine solche elektrische Energiespeichereinrichtung angeschlossen. Die elektrische Energiespeichereinrichtung dient dazu, elektrische Energie zu speichern, wenn in der elektrischen Anlage ein Überschuss an elektrischer Energie vorhanden ist, und elektrische Energie auch wieder abzugeben, wenn ein entsprechender Bedarf an elektrischer Energie von der elektrischen Anlage bereitzustellen ist. Die elektrische Energiespeichereinrichtung weist in der Regel zumindest einen elektrischen Energiespeicher auf, der insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen als Hochvoltbatterie ausgebildet ist.
Die Hochvoltbatterie dient dazu, elektrische Energie reversibel zu speichern. Eine solche Hochvoltbatterie wird auch als Akkumulator bezeichnet. Zum Zwecke des reversiblen Energiespeicherns umfasst die Hochvoltbatterie in der Regel mehrere Batteriezellen, die als galvanische Zellen ausgebildet sind und elektrische Energie chemisch zu speichern vermögen. Zu diesem Zweck weist eine jeweilige Batteriezelle in der Regel zwei Elektroden auf, die elektrochemisch miteinander in Verbindung stehen, beispielsweise über einen Elektrolyten, der mit den Elektroden wechselwirkt. An den Elektroden stellt sich dann eine elektrische Gleichspannung ein, die sich im Wesentlichen aufgrund der Elektrochemie ergibt. Die Gleichspannung, die sich zwischen den Elektroden einer einzelnen Batteriezelle einstellt, beträgt üblicherweise wenige Volt, beispielsweise etwa 1,2 V bis 4,5 V, abhängig von der Zellchemie.
Hochvoltbatterien der gattungsgemäßen Art sollen jedoch eine entsprechend hohe Gleichspannung bereitstellen, beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eine Gleichspannung im Bereich von mehreren 100 V, beispielsweise etwa 400 V oder mehr, insbesondere etwa 800 V. Daraus ergibt sich, dass zur Realisierung solcher Gleichspannungen durch eine Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet werden müssen. Je nach Energie- beziehungsweise Leistungsbedarf kann ergänzend auch noch eine Parallelschaltung von Batteriezellen erforderlich sein.
Hieraus ergeben sich besondere Anforderungen, insbesondere aus konstruktiver Sicht und aus Sicht der elektrischen Sicherheit, die bei derartigen Hochvoltbatterien zu beachten sind. Aufgrund dieser Anforderungen ist es mittlerweile üblich, die Hochvoltbatterie nach Art einer Modulbauweise zu konstruieren. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass Batteriemodule gebildet werden, die eine Mehrzahl von Batteriezellen mechanisch und elektrisch zusammenfassen, sodass eine einzeln handhabbare Baueinheit bereitgestellt wird. Das Batteriemodul kann bezüglich seiner Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf seine elektrischen Eigenschaften, als eigenständige Baugruppe geprüft werden. Die Hochvoltbatterie kann dann aus einer entsprechenden Mehrzahl solcher Batteriemodule zusammengefügt werden, beispielsweise indem die Batteriemodule in vorgebbarer Weise mechanisch und/oder elektrisch miteinander, vorzugsweise zu einer Baueinheit, verbunden werden, beispielsweise indem sie in einem Batteriegehäuse der Hochvoltbatterie entsprechend angeordnet werden. Auch die Batteriemodule können eigene Gehäuse aufweisen, in denen die Batteriezellen angeordnet sind. Die Gehäuse können jedoch auch lediglich aus einem Rahmen bestehen, der bezüglich der Batterie die jeweiligen Batteriemodule fixiert beziehungsweise bezüglich des Batteriemoduls die jeweiligen Batteriezellen fixiert.
Der Begriff Hochvolt ist durch die Normung erfasst und meint in der Regel eine Gleichspannung, die größer als 60 V ist. Eine einschlägige Norm in diesem Zusammenhang ist beispielsweise die ECE R 100. Batteriemodule stellen in der Regel eine Modulspannung von kleiner als 60 V bereit. Bei solchen Batteriemodulen kann daher zum Beispiel eine Handhabung in Bezug auf die elektrische Sicherheit einfacher sein.
Insbesondere in Bezug auf elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge hat sich bei der elektrischen Anlage eine Spannungsebene im Bereich von etwa 300 V bis etwa 450 V als Anwendungsbereich etabliert. Entsprechend sind Einheiten der elektrischen Anlage, insbesondere halbleiterbasierte Einheiten, für eine Spannung bis zu etwa 650 V ausgelegt, damit ein zuverlässiger bestimmungsgemäßer Betrieb der elektrischen Anlage erreicht werden kann. Die elektrische Anlage wird bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug in der Regel mit einer entsprechenden Gleichspannung betrieben. Das bedeutet, dass insbesondere auch Einheiten der elektrischen Anlage, die bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug im Zusammenhang mit der Antriebseinheit des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs stehen, wie zum Beispiel ein Wechselrichter, ein DC/DC-Wandler und/oder dergleichen, für diese Spannung ausgelegt sein müssen. Aufgrund der zunehmenden Ausrüstung von Kraftfahrzeugen mit elektrischen Antriebseinheiten hat sich daher eine Standardisierung in diesem Spannungsbereich herausgebildet. Niedervoltbordnetze, die ebenfalls von der elektrischen Anlage umfasst sein können, sind häufig mittels DC/DC-Wandler an einen Hochvoltbereich der elektrischen Anlage angeschlossen. Niedervolt meint in diesem Zusammenhang eine elektrische Spannung von weniger als etwa 60 V.
Das Leistungsspektrum einer solchen Antriebseinheit kann durch eine oder auch mehrere elektrische Maschinen und eine entsprechend ausgebildete Leistungselektronik sehr weit gespreizt werden und kann dadurch auch gehobene Ansprüche an eine Performance und eine Dynamik des Kraftfahrzeugs erfüllen. Aus antriebstechnischer Sicht sowie auch aus Sicht von Peripheriekomponenten hat sich deshalb die etablierte Spannungsebene insbesondere für Hybridfahrzeuge sowie auch für Elektrofahrzeuge für die Erfüllung der bestimmungsgemäßen Fahrzeugeigenschaften als ausreichend herausgestellt.
Eine neuere Überlegung führt jedoch dazu, in Erwägung zu ziehen, eine weitere Spannungsebene in Betracht zu ziehen, die sich bis zu einer Spannung von etwa 1.200 V erstreckt. Eine entsprechende Gleichspannung in der elektrischen Anlage, insbesondere an einem Zwischenkreis der elektrischen Anlage, kann in diesem Fall etwa 600 V bis etwa 900 V betragen. Durch eine begrenzte Strombelastbarkeit der Batteriezellen sowohl beim Laden als auch beim Entladen ist eine minimale Ladezeit der Hochvoltbatterie begrenzt und korreliert unter anderem mit einer maximalen Leistung der Hochvoltbatterie. Die maximale Leistung ist bei einer identischen Strombelastung proportional zur elektrischen Spannung. Daraus ergibt sich, dass eine Hochvoltbatterie mit einer doppelt so großen Bemessungsspannung wie zuvor in der gleichen Zeit auch eine doppelt so große Energieaufnahme beziehungsweise entsprechend eine entsprechende Verkürzung der Ladezeit bei identischer Energieaufnahme zulassen würde.
Die Erstellung einer entsprechend ausgerüsteten elektrischen Anlage für einen bestimmungsgemäßen Betrieb bei einer Gleichspannung von etwa 600 V bis etwa 900 V würde es nicht mehr erlauben, mittlerweile standardisierte Komponenten beziehungsweise Einheiten zu nutzen, die für eine Betriebsspannung von etwa 300 V bis etwa 400 V ausgelegt sind.
Darüber hinaus erweist es sich als problematisch, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen die elektrische Anlage ergänzend für eine zweite Spannungsebene auszulegen. Dies ist nicht nur aus konstruktiver Sicht aufwendig, sondern erhöht auch den Aufwand, der für eine jeweilige elektrische Anlage zu betreiben ist, insbesondere in Bezug auf die Steuerung einer Energieverteilung in der elektrischen Anlage.
Durch die DE 100 55 531 A1 ist bereits eine elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung in Kraftfahrzeugen offenbart. Die elektronische Schaltungsanordnung umfasst drei Bordnetzbatterien, die für eine Bemessungsspannung von 12 V ausgelegt sind, und die mittels einer Mehrzahl von Schaltelementen für einen Energieversorgungsbetrieb in Reihe geschaltet werden können. Zum Zwecke des Aufladens werden die Bordnetzbatterien mittels der Schaltelemente jedoch parallelgeschaltet, sodass sie im Parallelbetrieb geladen werden können. Auch wenn sich diese Ausgestaltung im Niedervoltbereich bewährt hat, so ist die grundsätzliche Konstruktion für den Hochvoltbereich im Wesentlichen ungeeignet. Darüber hinaus ist gerade die Tatsache, dass die Batterien bezüglich des Ladevorgangs parallelgeschaltet sind, nachteilig, weil aufgrund einer vorgegebenen Strombelastbarkeit von üblichen elektrischen Anlagen im Niedervoltbereich die Ladezeit besonders ungünstig ist.
Darüber hinaus offenbart die EP 1 977 495 B1 ein Energiespeichersystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Bei dem Elektro- oder Hybridfahrzeug ist ein Batterieladungsausgleichssystem vorgesehen, welches eine erste Batterie und eine zweite Batterie umfasst, die an eine Batterieschalteinheit angeschlossen sind. Je nach Bedarf können die erste und die zweite Batterie in Reihe geschaltet oder auch parallelgeschaltet betrieben werden. Je nach Leistungsbedarf kann entweder die Parallelschaltung oder die Reihenschaltung der Batterien vorgesehen sein. Zum Zwecke des Aufladens ist darüber hinaus ein Supercap vorgesehen, der elektrische Energie kurzzeitig aufnimmt und über einen längeren Zeitraum an die erste und die zweite Batterie abzugeben vermag.
Schließlich offenbart die DE 43 00 097 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen einer Batterieeinheit, die Nickel-Kadmium-Zellen umfasst. Um den bei diesen speziellen Batteriezellen auftretenden Memory-Effekt zu reduzieren, ist gemäß der DE 43 00 097 A1 vorgesehen, die Batteriezellen einzeln aufzuladen. Zu diesem Zweck werden die Einzelzellen elektrisch voneinander getrennt. Diese Offenbarung berücksichtigt nicht die besonderen Erfordernisse, die im Zusammenhang mit Hochvoltbatterien auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Aufladen einer elektrischen Energiespeichereinrichtung der gattungsgemäßen Art zu verbessern.
Als Lösung schlägt die Erfindung eine elektrische Energiespeichereinrichtung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Energiespeichereinrichtungsseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass diese eine an die Schalteinheit angeschlossene Ladeanschlusseinheit zum elektrischen Koppeln der elektrischen Energiespeichereinrichtung mit einer Ladeeinrichtung aufweist, wobei die Schalteinheit ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement parallelzuschalten und die Parallelschaltung mit der Betriebsanschlusseinheit elektrisch zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement in Reihe zu schalten und die Reihenschaltung mit der Ladeanschlusseinheit elektrisch zu koppeln.
Kraftfahrzeugseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeug eine elektrische Energiespeichereinrichtung der Erfindung aufweist.
Verfahrensseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Schalteinheit im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement parallelschaltet und die Parallelschaltung mit der elektrischen Anlage elektrisch koppelt und in einem zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement in Reihe schaltet und die Reihenschaltung mit der Ladeeinrichtung elektrisch koppelt.
Das Batterieelement kann sowohl ein oder mehrere Batteriezellen, ein oder mehrere Batteriemodule oder auch ein oder mehrere Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, sowie auch Kombinationen hiervon umfassen. Sind mehrere Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule beziehungsweise Batterien als Batterieelement vorgesehen, können diese in geeigneter Weise elektrisch verschaltet sein, beispielsweise in Reihenschaltung, in Parallelschaltung, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen. Insbesondere brauchen das erste und das zweite Batterieelement nicht identisch ausgebildet zu sein. Sie sind jedoch vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie im bestimmungsgemäßen Betrieb an der elektrischen Anlage, insbesondere unmittelbar, parallelgeschaltet betrieben werden können. Das Batterieelement kann zum Beispiel durch eine Hochvoltbatterie oder auch ein oder mehrere Batteriemodule der Hochvoltbatterie oder auch durch eine vorgegebene Anzahl von Batteriezellen der Hochvoltbatterie gebildet sein.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Ladezeit der elektrischen Energiespeichereinrichtung und insbesondere deren Batterieelemente deutlich reduziert werden kann, wenn die Batterieelemente zum Zwecke des Aufladens in Reihe geschaltet sind. Mit dem gleichen Ladestrom, der durch die Konstruktion der Batterieelemente , vorgegeben sein kann, können somit das erste und das zweite Batterieelement gleichzeitig aufgeladen werden. Dies wird durch die Schalteinheit ermöglicht, die zum Zwecke des Aufladens das erste und das zweite Batterieelement in Reihe schaltet. Zum Zwecke des bestimmungsgemäßen Energieversorgungsbetriebs an der elektrischen Anlage dagegen sind das erste und das zweite Batterieelement parallelgeschaltet mit der elektrischen Anlage gekoppelt. Die elektrische Anlage braucht deshalb nicht für die hohe elektrische Ladespannung ausgelegt zu sein, mit der die Reihenschaltung des ersten und des zweiten Batterieelements zum Zwecke des Aufladens beaufschlagt ist. Die Erfindung erlaubt es also, eine bereits vorhandene elektrische Anlage, insbesondere die eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, im Wesentlichen unverändert weiter zu nutzen. Lediglich die Anordnung der elektrischen Energiespeichereinrichtung gemäß der Erfindung ist erforderlich, um diesen Vorteil zu nutzen.
Gerade bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen erweist es sich als vorteilhaft, kurze Ladezeiten erreichen zu können, sodass das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug beziehungsweise dessen elektrische Energiespeichereinrichtung möglichst rasch wieder aufgeladen werden kann. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung in einer Pause auf einer Fahrtroute aufgeladen werden soll, um den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weiterhin aufrechterhalten zu können, beispielsweise wenn das gewünschte Fahrziel aufgrund einer vorgegebenen elektrischen Kapazität der elektrischen Energiespeichereinrichtung des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs nicht unmittelbar erreichbar ist.
Auch wenn die Erfindung vorliegend anhand von lediglich zwei Batterieelementen erläutert ist, ist für den Fachmann natürlich klar, dass die Erfindung auch bei mehr als zwei Batterieelementen anwendbar ist. So kann vorgesehen sein, dass zum Zwecke des Aufladens bei drei Batterieelementen die Batterieelemente in Reihe geschaltet werden, wohingegen die drei Batterieelemente zum Betrieb an der elektrischen Anlage parallelgeschaltet sein können. Dadurch kann der Effekt der Erfindung noch weiter vergrößert werden. Entsprechende Ausgestaltungen sind natürlich auch für vier Batterieelemente oder mehr entsprechend realisierbar.
Die Schalteinheit dient dazu, die Batterieelemente in bestimmungsgemäßer Weise in Reihe zu schalten oder parallelzuschalten und die so verschalteten Batterieelemente mit der jeweiligen Anschlusseinheit, nämlich der Betriebsanschlusseinheit oder der Ladeanschlusseinheit, elektrisch zu koppeln. Zu diesem Zweck umfasst die Schalteinheit ein oder mehrere Schaltelemente, die beispielsweise durch elektromechanische Schaltelemente wie Schütz- oder Relaiskontakte, aber auch durch Halbleiterschaltelemente wie Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, vorzugsweise ein Metalloxyde Field Effect Transistor (MOSFET), ein Isolated gate bipolar Transistor (IGBT), aber auch durch einen Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) und/oder dergleichen gebildet sein. Diese Schaltelemente sind vorzugsweise in die Schalteinheit integriert. Alternativ können sie jedoch auch zumindest teilweise in eine oder beide der jeweiligen Hochvoltbatterien integriert sein.
Vorzugsweise kann die Schalteinheit von wenigstens einem der Batterieelemente umfasst sein, indem sie zum Beispiel zumindest teilweise in wenigstens eines der Batterieelemente integriert angeordnet ist. Beispielsweise können einem jeweiligen der Batterieelemente zugeordnete Schaltelemente in die jeweiligen Batterieelemente integriert sein. Weiterhin kann natürlich vorgesehen sein, dass die Schalteinheit vollständig in dem ersten der Batterieelemente integriert ist. Das zweite der Batterieelemente beziehungsweise gegebenenfalls weitere Batterieelemente können dann zum Beispiel in geeigneter Weise an das erste der Batterieelemente angeschlossen sein, um die gewünschte Schaltfunktion der Schalteinheit realisieren zu können.
Die Schalteinheit umfasst ferner eine Steuereinheit, mittels der die Schaltelemente in vorgebbarer Weise gesteuert werden können, sodass die Schalteinheit den ersten oder den zweiten Schaltzustand einnehmen kann. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eine elektronische Hardwareschaltung und/oder eine programmgesteuerte Rechnereinheit umfassen, die an das Schaltelement beziehungsweise die Schaltelemente angeschlossen ist, um diese in vorgegebener Weise zu steuern. Darüber hinaus kann die Steuereinheit eine Kommunikationsschnittstelle bereitstellen, über die Daten mit einer übergeordneten Steuerung oder mit einer Eingabeeinheit für einen Nutzer ausgetauscht werden können. Mittels der übergeordneten Steuerung beziehungsweise der Eingabeeinheit kann beispielsweise vorgegeben werden, welcher Schaltzustand durch die Schalteinheit eingenommen werden soll. Die Eingabeeinheit kann zu diesem Zweck beispielsweise eine manuelle Eingabeeinheit sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass hierfür ein Kommunikationsendgerät zum Einsatz kommt, welches über eine vorzugsweise drahtlose, Kommunikationsschnittstelle mit der Steuereinheit gekoppelt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass der Nutzer beispielsweise mittels seines Mobilfunkendgerätes, beispielsweise einem Smartphone oder dergleichen, den einzunehmenden Schaltzustand der Schalteinheit vorgibt. Dies ist beispielsweise zweckmäßig, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung die eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs ist, welches sich außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs an einer Ladeeinrichtung befindet. Dem Grunde nach kann die Steuereinheit jedoch auch zumindest teilweise Bestandteil der übergeordneten Steuerung sein.
Schaltbetrieb des Halbleiterschalters bedeutet, dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Halbleiterschalters ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein großer Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschalters hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer, elektrischer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei Halbleiterschaltern in der Regel nicht zum Einsatz kommt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei Anschließen beziehungsweise Aktivieren der Ladeeinrichtung dies mittels eines Sensors erfasst und an die Steuereinheit übermittelt werden kann, sodass die Steuereinheit die Schalteinheit vorzugsweise automatisch entsprechend steuert, damit ein entsprechender Schaltzustand eingenommen wird. Vorzugsweise ist dies der zweite Schaltzustand, in dem die beiden Batterieelemente in Reihe geschaltet sind und mit der Ladeanschlusseinheit elektrisch gekoppelt werden. In diesem Schaltzustand sind die Batterieelemente dann vorzugsweise elektrisch getrennt von der Betriebsanschlusseinheit, und dadurch auch elektrisch getrennt von der elektrischen Anlage.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass eines der Batterieelemente weiterhin an die elektrische Anlage angeschlossen bleibt, wohingegen lediglich das zweite beziehungsweise weitere der Batterieelemente, falls mehr als zwei Batterieelemente vorliegen, in Reihe geschaltet werden und elektrisch von der elektrischen Anlage entkoppelt werden. Dadurch ist es möglich, dass die elektrische Anlage weiterhin mit wenigstens einem der Batterieelemente elektrisch gekoppelt bleibt, insbesondere wenn dies für den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Anlage erforderlich sein sollte. So kann auch beim Ladevorgang der Batterieelemente eine entsprechende Funktionalität bereitgestellt werden. Damit die Batterieelemente während des Aufladens in einem solchen Betrieb nicht ungleichmäßig aufgeladen werden, weil beispielsweise die elektrische Anlage aus dem einen Batterieelement elektrische Energie bezieht, kann vorgesehen sein, dass die Batterieelemente in ihrer elektrischen Anordnung umgeschaltet werden, sodass die Belastung durch die elektrische Anlage im Zeitmultiplex auf die Batterieelemente verteilt werden kann. Dies erlaubt es ferner, auch unterschiedliche Kapazitäten zum Speichern von elektrischer Ladung durch die Batterieelemente berücksichtigen zu können.
Insgesamt ermöglicht es die Erfindung somit, bestehende Konstruktionen für elektrische Anlagen weiter zu nutzen und zugleich eine verbesserte Funktionalität bezüglich der elektrischen Energiespeichereinrichtung bereitzustellen.
So ist es beispielsweise möglich, bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug, dessen elektrische Anlage für eine Bemessungsspannung in einem Bereich von etwa 300 V bis etwa 450 V ausgelegt ist, eine verbesserte Funktionalität in Bezug auf das Aufladen des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der elektrischen Energiespeichereinrichtung zu ermöglichen. Insbesondere kann eine deutlich verkürzte Ladezeit erreicht werden, sodass die Verfügbarkeit des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs deutlich verbessert werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste und das zwei Batterieelement als Lithium-Ion-Batterien ausgebildet sind. Lithium-Ion-Batterien eignen sich in besonderer Weise für den Einsatz bei Batterieelementen und sind aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte insbesondere für den Einsatz bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen besonders geeignet. Besonders bevorzugt sind hierdurch Hochvoltbatterien gebildet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung ein Gehäuse aufweist, in dem zumindest das erste und das zweite Batterieelement sowie die Schalteinheit angeordnet sind. Dadurch kann eine kompakte Einheit geschaffen werden, die als einzeln handhabbare Baueinheit zur Verfügung gestellt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, die elektrische Energiespeichereinrichtung als einzeln geprüfte Einheit bereitzustellen. Dadurch kann die Zuverlässigkeit insbesondere bei der Herstellung deutlich verbessert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Batterieelement jeweils für einen Betrieb bei einer Bemessungsspannung der elektrischen Anlage ausgebildet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass mittels der Batterieelemente möglichst effektiv eine große Leistung bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise entspricht die durch die Batterieelemente bereitgestellte elektrische Spannung der Spannung, die auch an einem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage für den bestimmungsgemäßen Betrieb zur Verfügung steht. Dadurch erklärt sich auch, weshalb es für den Betrieb an der elektrischen Anlage vorgesehen ist, dass die Batterieelemente parallelgeschaltet sind. Lediglich zum Zwecke des Aufladens können die Batterieelemente von der elektrischen Anlage getrennt werden oder zumindest eines der Batterieelemente , das dann mit dem beziehungsweise den verbliebenen Batterieelementen in Reihe geschaltet wird, um aufgeladen zu werden. In diesem Schaltzustand, der dem zweiten Schaltzustand entspricht, stehen somit nicht sämtliche Batterieelemente für den Betrieb an der elektrischen Anlage zur Verfügung. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass die in Reihe geschalteten Batterieelemente zum Zwecke des Aufladens komplett von der elektrischen Anlage elektrisch getrennt werden.
Aus diesem Grund wird ferner vorgeschlagen, dass die Schalteinheit ausgebildet ist, sowohl im ersten als auch im zweiten Schaltzustand die Betriebsanschlusseinheit und die Ladeanschlusseinheit voneinander zu trennen. Dadurch kann eine Wechselwirkung während des Aufladens der Batterieelemente mit der elektrischen Anlage weitgehend vermieden werden. Insbesondere können sich hierdurch Vorteile in Bezug auf die elektrische Sicherheit ergeben, weil die elektrische Anlage dann nicht für die hohe Ladespannung ausgelegt zu sein braucht.
Vorzugsweise weisen das erste und das zweite Batterieelement etwa die gleiche Kapazität zum Speichern von elektrischer Ladung auf. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere beim Aufladen in Reihenschaltung und elektrischer Trennung von der elektrischen Anlage eine im Wesentlichen gleichmäßige Aufladung der Batterieelemente erfolgen kann. Dies gilt natürlich nicht nur für das erste und das zweite Batterieelement, sondern in analoger Weise auch für mehrere, in Reihe geschaltete Batterieelemente, sofern vorhanden.
Schließlich wird vorgeschlagen, dass eine elektrische Belastung des ersten und des zweiten Batterieelements zumindest im zweiten Schaltzustand der Schalteinheit überwacht wird. Dies erlaubt es, ein Ladeverhalten des ersten und des zweiten Batterieelements zu überwachen. Unterschiede können sich beispielsweise dadurch ergeben, dass das erste und das zweite Batterieelement unterschiedliche Kapazitäten zum Speichern von elektrischer Ladung oder auch unterschiedliche Alterungszustände aufweisen. Dies kann dazu führen, dass eine Spannungsaufteilung während des Ladevorgangs zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung der Batterieelemente beim Aufladen führt, sodass das Batterieelement mit einer geringeren Kapazität zum Speichern von elektrischer Ladung gegebenenfalls höher als das andere belastet wird. Um hier eine Überlastung des jeweiligen Batterieelements zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass bei Erreichen eines vorgegebenen Vergleichswerts durch die Belastung des jeweiligen Batterieelements der Ladevorgang abgebrochen oder eine Ladeleistung reduziert wird. Zum Zwecke des Überwachens kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass eine entsprechende Ladespannung an den Batterieelementen erfasst wird. Die entsprechende Überwachungsfunktion kann durch die Steuereinheit bereitgestellt sein, die auch die Schalteinheit steuert. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Überwachung durch die übergeordnete Steuereinheit oder auch gegebenenfalls durch die Ladeeinrichtung vorgenommen wird.
Die für die erfindungsgemäße elektrische Energiespeichereinrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen auch für das mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung ausgerüstete Kraftfahrzeug sowie das entsprechende Verfahren und umgekehrt.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Blockdarstellung eines Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie, wobei das Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist;
2 eine schematische Blockdarstellung einer Hochvoltbatterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen,
3 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung mit zwei Hochvoltbatterien als Batterieelementen, die mittels einer Schalteinheit sowohl für einen Betrieb an einer elektrischen Anlage parallelgeschaltet als auch zum Aufladen in Reihe geschaltet werden können, wobei die Schalteinheit einen ersten Schaltzustand einnimmt, in dem die Hochvoltbatterien parallelgeschaltet an der elektrischen Anlage angeschlossen sind,
4 eine schematische Darstellung wie 3, bei der die Schalteinheit einen zweiten Schaltzustand einnimmt, in dem die Hochvoltbatterien in Reihe geschaltet an eine Ladeeinrichtung angeschlossen sind und
5 schematisch eine Tabelle, in der Spannungsebenen bei aktuellen elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen dargestellt sind.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein Batteriemodul 22, welches eine Mehrzahl von Batteriezellen 24 aufweist. Das Batteriemodul 22 umfasst ferner einen Minus-Anschluss 26 sowie einen Plus-Anschluss 28, an denen eine elektrische Gleichspannung entsprechend der Anzahl und der Verschaltung der Batteriezellen 24 bereitgestellt wird. Die Batteriezellen 24 sind vorliegend Lithium-Ion-Zellen, die eine jeweilige Zellenspannung von etwa 3,6 V bereitstellen. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Batteriemodul 22 zwölf Batteriezellen 24 aufweist, die vorliegend in Reihe geschaltet sind. Daraus ergibt sich, dass zwischen dem Plus-Anschluss 28 und dem Minus-Anschluss 26 eine Modulgleichspannung von etwa 43,2 V bereitgestellt wird. In alternativen Ausgestaltungen kann jedoch vorgesehen sein, dass das Batteriemodul 22 auch parallelgeschaltete Batteriezellen 24 umfasst. Auch die Anzahl der zu einem Batteriemodul 22 zusammengefassten Batteriezellen 24 kann je nach Bedarf variieren, beispielswiese um die Modulgleichspannung bedarfsgerecht anpassen zu können.
2 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Hochvoltbatterie 16 beziehungsweise 18, die vorliegend aus einer Mehrzahl von Batteriemodulen 22 aufgebaut ist. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Hochvoltbatterie 16 beziehungsweise 18 neun Batteriemodule 22 aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Die Batteriemodule 22 sind Batteriemodule, wie sie bereits anhand von 1 erläutert worden sind.
Die Hochvoltbatterie 16 beziehungsweise 18 weist ferner einen Minus-Anschlusspol 32 sowie einen Plus-Anschlusspol 30 auf, an denen eine Batteriespannung entsprechend der Verschaltung der Batteriemodule 22 bereitgestellt wird. Auch wenn die vorliegende Ausgestaltung vorsieht, dass die Batteriemodule 22 der Hochvoltbatterie 16 beziehungsweise 18 in Reihe geschaltet sind, kann in alternativen Ausgestaltungen auch vorgesehen sein, dass zumindest teilweise auch eine Parallelschaltung der Batteriemodule 22 vorgesehen ist. Auch die Anzahl der Batteriemodule 22 kann je nach Bedarf variieren, insbesondere um eine Batteriespannung anpassen zu können.
In der vorliegenden Ausgestaltung sind neun Batteriemodule 22 vorgesehen, die jeweils eine Modulspannung von etwa 43,2 V aufweisen. Dadurch ergibt sich als Batteriespannung der Hochvoltbatterie 16, 18 eine elektrische Spannung von etwa 388,8 Volt.
Um für Hochvolt-Komponenten, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, eine etablierte Spannungslage von etwa 300 V bis etwa 450 V auch in Zukunft nutzen zu können und somit eine fortlaufende Entwicklung zur Optimierung von Kosten, Bauraum, Gewicht, Robustheit, Effizienz und dergleichen zu forcieren, wird zur Verringerung der Ladezeit vorgeschlagen, eine höhere Ladespannung zu ermöglichen. Dies erreicht die Erfindung durch eine elektrische Energiespeichereinrichtung 10 (3, 4), die vorliegend zwei Hochvoltbatterien 16, 18 als Batterieelemente aufweist, die an eine elektrische Anlage (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Die elektrische Anlage ist vorzugsweise eine elektrische Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, welches ebenfalls nicht weiter dargestellt ist. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 10 umfasst zu diesem Zweck eine Schalteinheit 20, die im bestimmungsgemäßen Betriebsfall an der elektrischen Anlage eine Betriebsspannung in dem vorgenannten etablierten Bereich von etwa 300 V bis etwa 450 V, hier etwa 388,8 V, zur Verfügung stellt und für das Aufladen eine Ladespannung im Bereich von etwa 600 V bis etwa 900 V ermöglicht, hier etwa 777,6 V.
Zu diesem Zweck umfasst die elektrische Energiespeichereinrichtung 10 die Hochvoltbatterien 16, 18, sodass der hierdurch gebildete elektrische Energiespeicher zumindest zweiteilig ausgebildet ist. In Verbindung mit der Schalteinheit 20 besteht somit die Möglichkeit, die Hochvoltbatterien 16, 18 für den bestimmungsgemäßen Betrieb an der elektrischen Anlage parallelzuschalten, sodass die gewohnte etablierte Spannungslage bei Hochvoltbatterien genutzt werden kann.
Zum Zwecke der Ladung wird stattdessen mittels der Schalteinheit 20 eine Reihenschaltung der Hochvoltbatterien 16, 18 realisiert, sodass die Hochvoltbatterien 16, 18 während des Aufladens mit einer entsprechend hohen Spannung beaufschlagt werden können. Sind - wie vorliegend - eine erste Hochvoltbatterie 16 und eine zweite Hochvoltbatterie 18 vorgesehen, so kann die Ladespannung beim Herstellen der Reihenschaltung verdoppelt werden.
Bei Nutzung einer Hochvoltbatterie gemäß 2 als Hochvoltbatterie 16, 18 kann somit eine Ladespannung von etwa 777,6 V erreicht werden. Bei einer vorgegebenen Strombeaufschlagung, die durch die Hochvoltbatterien 16, 18 vorgegeben ist, kann somit die Ladezeit nahezu halbiert werden. In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass sogar eine dritte, eine vierte oder sogar noch mehr Hochvoltbatterien vorgesehen werden, die entsprechend zum Aufladen in Reihe geschaltet werden, sodass sich eine Ladespannung nochmals entsprechend erhöhen kann. Eine entsprechende Reduktion der Ladezeit kann erreicht werden.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Hochvoltbatterien 16, 18 etwa die gleiche Kapazität zum Speichern von elektrischer Ladung aufweisen. Dadurch zeigen sie im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften bezüglich des Aufladens, sodass die in Reihe geschalteten Hochvoltbatterien 16, 18 im Wesentlichen gleichmäßig aufgeladen werden können. Sind die Kapazitäten der Hochvoltbatterien 16, 18 unterschiedlich zueinander, kann ein entsprechendes Balancing vorgesehen werden, um eine gleichmäßige Ladungsverteilung entsprechend der Kapazitäten der Hochvoltbatterien 16, 18 erreichen zu können.
Um die entsprechenden Schaltzustände erreichen zu können, ist die Schalteinheit 20 vorgesehen (3, 4). In den 3, 4 ist die elektrische Energiespeichereinrichtung 10 mit der ersten Hochvoltbatterie 16 und der zweiten Hochvoltbatterie 18 sowie der Schalteinheit 20 dargestellt. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 10 umfasst ferner eine Betriebsanschlusseinheit 12 zum Anschließen der elektrischen Energiespeichereinrichtung 10 an die elektrische Anlage sowie eine an die Schalteinheit 20 angeschlossene Ladeanschlusseinheit 14 zum elektrischen Koppeln der elektrischen Energiespeichereinrichtung 10 mit einer nicht dargestellten Ladeeinrichtung. Die Ladeeinrichtung kann beispielsweise eine Ladestation sein, an der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug zum Zwecke des Aufladens abgestellt werden kann.
Die elektrische Energiespeichereinrichtung 10 umfasst ferner einen gemeinsamen Masseanschluss 34, der bei dem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug eine Kraftfahrzeugmasse sein kann.
Die Schalteinheit 20 umfasst neben der Betriebsanschlusseinheit 12 sowie der Ladeanschlusseinheit 14 Schaltelemente 36, 38, 40, 42, mittels denen die vorgegebenen Schaltzustände, nämlich ein erster Schaltzustand (3), in dem die Hochvoltbatterien 16, 18 parallelgeschaltet sind und elektrisch mit der elektrischen Anlage gekoppelt sind, und einen zweiten Schaltzustand (4), in dem die Hochvoltbatterien 16, 18 in Reihe geschaltet sind und an die Ladeanschlusseinheit 14 angeschlossen sind, eingenommen werden können. Die Schaltelemente 36, 38, 40, 42 sind vorliegend durch elektromechanische Schaltelemente gebildet, die mittels einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit hinsichtlich ihres jeweiligen Schaltzustands gesteuert werden können. In alternativen Ausgestaltungen kann natürlich auch vorgesehen sein, dass diese Schaltelemente durch Halbleiterschalter gebildet sind.
Mittels der Schaltelemente 36, 38, 40 kann zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der Hochvoltbatterien 16, 18 umgeschaltet werden. Zu diesem Zweck ist das Schaltelement 36 zwischen dem Plus-Anschlusspol 30 der Hochvoltbatterie 16 und dem Minus-Anschlusspol 32 der Hochvoltbatterie 18 geschaltet. Dieses Schaltelement 36 erlaubt es, in seinem eingeschalteten Zustand die Hochvoltbatterien 16, 18 in Reihe zu schalten.
Das Schaltelement 38 ist an beiden Plus-Anschlusspolen 30 der Hochvoltbatterien 16, 18 angeschlossen. Entsprechend ist das Schaltelement 40 an den jeweiligen Minus-Anschlusspolen 32 der Hochvoltbatterien 16, 18 angeschlossen. Sind die Schaltelemente 38, 40 im geschlossenen Schaltzustand, sind die Hochvoltbatterien 16, 18 parallelgeschaltet. Durch eine nicht weiter dargestellte Verriegelung wird sichergestellt, dass die Schaltelemente 38, 40 immer gleichzeitig den gleichen Schaltzustand einnehmen und die Schaltelemente 38, 40 auf der einen Seite immer einen entgegengesetzten Schaltzustand gegenüber dem Schaltelement 36 einnehmen.
An den Plus-Anschlusspol 30 der Hochvoltbatterie 18 ist ferner das Schaltelement 42 angeschlossen, welches eine Umschaltmöglichkeit zwischen der Betriebsanschlusseinheit 12 und der Ladeanschlusseinheit 14 bereitstellt. Das Schaltelement 42 ist ebenfalls verriegelungstechnisch mit den anderen Schaltelementen 36, 38, 40 gekoppelt, sodass sichergestellt ist, dass die parallelgeschalteten Hochvoltbatterien 16, 18 mit der Betriebsanschlusseinheit 12 elektrisch gekoppelt sind, wohingegen die Reihenschaltung mit der Ladeanschlusseinheit 14 elektrisch gekoppelt ist. 4 zeigt die Schaltzustände der Schaltelemente 36, 38, 40, 42 für das Aufladen der Hochvoltbatterien 16, 18 in Reihenschaltung, wohingegen in 3 die Schaltzustände der Schaltelemente 36, 38, 40, 42 für den Betrieb in Parallelschaltung an der elektrischen Anlage gezeigt sind.
5 zeigt eine Tabelle mit Spannungsebenen, wie sie derzeit bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen. Daraus ist ersichtlich, welche Spannungsebenen bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen derzeit üblich sind.
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken. Natürlich kann eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen und Kombinationen von Merkmalen vorgesehen werden, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen, der sich darauf bezieht, dass die Ladezeit zum Aufladen der elektrischen Energiespeichereinrichtung deutlich verkürzt werden kann, indem Hochvoltbatterien der elektrischen Energiespeichereinrichtung 10 in Reihe geschaltet werden zum Zwecke des Aufladens.
Auch wenn die Erfindung sich besonders für den Einsatz bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eignet, ist sie hierauf nicht beschränkt und kann darüber hinaus ebenso bei elektrischen Energiespeichereinrichtungen, insbesondere im Inselbetrieb, unterbrechungsfreien Energieversorgungen und/oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Schließlich ist anzumerken, dass für Vorrichtungsmerkmale auch entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10055531 A1 [0014]
EP 1977495 B1 [0015]
DE 4300097 A1 [0016]

Claims

Elektrische Energiespeichereinrichtung (10) mit einer Betriebsanschlusseinheit (12) zum elektrischen Koppeln der elektrischen Energiespeichereinrichtung (10) mit einer elektrischen Anlage, einem ersten Batterieelement (16) und einem zweiten Batterieelement (18) sowie einer an das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) und die Betriebsanschlusseinheit (12) angeschlossenen Schalteinheit (20), gekennzeichnet durch eine an die Schalteinheit (20) angeschlossene Ladeanschlusseinheit (14) zum elektrischen Koppeln der elektrischen Energiespeichereinrichtung mit einer Ladeeinrichtung, wobei die Schalteinheit (20) ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) parallelzuschalten und die Parallelschaltung mit der Betriebsanschlusseinheit (12) elektrisch zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) in Reihe zu schalten und die Reihenschaltung mit der Ladeanschlusseinheit (14) elektrisch zu koppeln.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) als Lithium-Ion-Batterien ausgebildet sind.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, in dem zumindest das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) sowie die Schalteinheit (20) angeordnet sind.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) jeweils für einen Betrieb bei einer Bemessungsspannung der elektrischen Anlage ausgebildet sind.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (20) ausgebildet ist, sowohl im ersten als auch im zweiten Schaltzustand die Betriebsanschlusseinheit (12) und die Ladeanschlusseinheit (14) elektrisch voneinander zu trennen.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung ausgebildet ist, im ersten Schaltzustand der Schalteinheit (20) an der Betriebsanschlusseinheit (12) eine elektrische Spannung von etwa 400 V und im zweiten Schaltzustand der Schalteinheit (20) an Ladeanschlusseinheit (14) eine elektrische Spannung von etwa 800 V bereitzustellen.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) die gleiche Kapazität zum Speichern von elektrischer Ladung aufweisen.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, gekennzeichnet durch eine elektrische Energiespeichereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer mit einer elektrischen Anlage elektrisch gekoppelten elektrischen Energiespeichereinrichtung (10), bei der ein erstes Batterieelement (16) und ein zweites Batterieelement (18) mittels einer an das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) angeschlossenen Schalteinheit (20) mit der elektrischen Anlage elektrisch gekoppelt werden, wenn die Schalteinheit (20) einen ersten Schaltzustand einnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (20) im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) parallelschaltet und die Parallelschaltung mit der elektrischen Anlage elektrisch koppelt und in einem zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Batterieelement (16, 18) in Reihe schaltet und die Reihenschaltung mit einer Ladeeinrichtung elektrisch koppelt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Belastung des ersten und des zweiten Batterieelements (16, 18) zumindest im zweiten Schaltzustand der Schalteinheit (20) überwacht wird.