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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit einer Batteriezelleinheit, einem Batteriegehäuse, in dem die Batteriezelleneinheit untergebracht ist, einem Zwischenkreiskondensator, mindestens einem ersten Schaltelement zum Verbinden der Batteriezelleneinheit mit dem Zwischenkreiskondensator und einer Ladeschaltung für den Zwischenkreiskondensator, der eine zu dem ersten Schaltelement parallele Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einem zweiten Vorladewiderstand aufweist.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 013 706 A1 beschreibt eine Ladeschaltung und Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator, der insbesondere einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist. Der Zwischenkreiskondensator ist zweipolig mittels zweier separat schaltbarer Pole eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle verbindbar. Parallel zu einem der Pole ist eine Reihenschaltung eines Schalters mit einer Vorladeschaltung vorgesehen. Die Vorladeschaltung ist als eine Stromquelle und/oder als ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter ausgebildet. Diese Druckschrift beschreibt ebenso ein dazugehöriges Verfahren.
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Um die Abhängigkeit von fossilen Treibstoffen zu vermindern, wird zurzeit unter anderem die Entwicklung von Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen vorangetrieben. Diese Fahrzeuge zeichnen sich durch einen zumindest teilweise bzw. voll elektrischen Fahrzeugantrieb aus. Die wichtigsten Ausprägungen sind hybridelektrische Fahrzeuge, batterieelektrische Fahrzeuge oder Brennstoffzellenfahrzeuge. Diese Fahrzeuge benötigen eine deutliche Steigerung der Batterieleistungsfähigkeit und -zuverlässigkeit im Vergleich zu klassischen Kraftfahrzeugen, die auf einem Verbrennungsmotor als alleinige Antriebsquelle beruhen. In Hybrid- und Elektrofahrzeugen müssen elektrische und elektronische Komponenten erhöhten Anforderungen genügen. Die deutlich erhöhten Bordnetzspannungen gegenüber Fahrzeugen mit rein konventionellem Verbrennungsmotor sind ein Grund dafür. Negative Effekte, wie zum Beispiel durch Induktion verursachte Störfelder, spielen bei Elektrofahrzeugen eine deutlich größere Rolle als bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ohne jegliche elektrische Antriebskomponente.
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Würde eine Batterie in einem Elektrofahrzeug ohne Vorladung zum Antrieb hinzugeschaltet werden, so entstünde ein schlagartiger, sehr starker Stromfluss, der auf keinerlei nennenswerten Widerstand stößt. Die Stromstärken und -spannungen sind bei Elektrofahrzeugen deutlich höher als bei den konventionellen Fahrzeugen, die zum Antrieb ausschließlich einen Verbrennungsmotor vorgesehen haben. Die Schaltelemente in einer Batterie wären diesem hohen Stromfluss nicht gewachsen und könnten dabei Schaden nehmen. Diese Situation könnte man aufgrund des hohen Stromflusses und relativ geringen Widerstands als Kurzschluss bezeichnen.
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Aus diesem Grund werden bei Elektrofahrzeugen Batterien vorgeladen, um die Batterieschaltung entsprechend zu schonen. Daher findet beispielsweise bei derzeitigen (48 V) Batterien eine Vorladung innerhalb der Batterie statt. Die 48 V Batterie lädt einen Zwischenkreis über einen Widerstand vor. Erst wenn die Spannung des Zwischenkreises einen vordefinierten Wert erreicht, schalten die Plus- und falls vorhanden Minus-Schaltelemente zu.
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Eine Vorladung des Batteriegehäuses hingegen findet in der genannten Druckschrift
DE 10 2008 013 706 A1 jedoch nicht statt. Auch anderweitig ist eine Vorladung des Batteriegehäuses der Anmelderin nicht bekannt. In einer Batterie sind in der Regel die Stromführenden Leitungen zur Isolierung mit einem Dielektrikum umgeben und verfügen über eine Kabelschirmung. Diese Kabelschirmung ist häufig mit dem Batteriegehäuse verbunden, welches wiederum in der Regel mit der Karosserie des Kraftfahrzeugs in Verbindung steht. Die Batterie zusammen mit ihrer Isolierung und dem Batteriegehäuse kann dabei als virtueller Kondensator verstanden werden. Dieser virtuelle Kondensator wird in der Automobilbranche oft als Cy-Kapazität, der parallel geschaltet ist, bezeichnet. Cy-Kapazitäten können somit als virtuell parallel geschaltete Kondensatoren betrachtet werden. Da die Batterie eines Elektrofahrzeugs hohe Spannungen und Ströme bereitstellen kann, können sich, verursacht durch das Induktionsprinzip, elektromagnetische Störfelder auf das Batteriegehäuse übertragen. Beispielsweise können binnen 30 ms Stromstärken bzw. Spannungen von 800 Volt bzw. 100 Ampere auftreten, was entsprechend hohe Induktivitäten zur Folge hat. Solche elektromagnetische Störwellen können beispielsweise Fehlsignale, wie zum Beispiel eine völlig unrealistische Temperaturanzeige oder ähnliches, erzeugen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Robustheit einer Batterie weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterievorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Diese Erfindung stellt zudem auch ein Verfahren nach Anspruch 7 zum Vorladen eines Zwischenkreises einer Batterievorrichtung bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Batterievorrichtung mit einer Batteriezelleneinheit, einem Batteriegehäuse, in dem die Batteriezelleneinheit untergebracht ist, einem Zwischenkreiskondensator, mindestens einem ersten Schaltelement zum Verbinden der Batteriezelleneinheit mit dem Zwischenkreiskondensator und einer Ladeschaltung für den Zwischenkreiskondensator, der eine zu dem ersten Schaltelement parallele Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einem zweiten Vorladewiderstand aufweist, vorgesehen. Die Erfindung zeichnet sich durch ein drittes Schaltelement und einen dritten Vorladewiderstand aus, über den der Zwischenkreiskondensator durch das dritte Schaltelement mit dem Batteriegehäuse elektrisch verbindbar ist. Durch diese Schaltung werden in der Regel elektromagnetische Störfelder deutlich reduziert und können sich weniger schädlich über das Batteriegehäuse auf andere elektrische Komponenten des Elektrofahrzeugs übertragen. Ebenfalls wird die Robustheit der Batterievorrichtung, welche sensible elektronische Teile, wie zum Beispiel Mikroprozessoren, Temperatursensoren oder weitere empfindliche messtechnische Komponenten beinhaltet, gesteigert.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass bei der Batterievorrichtung mindestens eines der Schaltelemente als Relais ausgebildet ist. Ein Relais ist ein durch elektrischen Strom betriebener, elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Relais benötigen in der Regel keine Kühlung und deren Schaltzustand ist oft mit dem bloßen Auge erkennbar. Dies kann zum Beispiel dann hilfreich sein, wenn eine Reparatur an der Batterievorrichtung durchgeführt werden soll.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Batterievorrichtung mindestens ein Schaltelement auf, das als Halbleiter ausgebildet ist. Dies ermöglicht den Einsatz von Transistoren, die üblicherweise Halbleiterbauelemente aufweisen. Schaltelemente, die als Halbleiter ausgebildet sind, weisen in der Regel einen geringeren Verschleiß gegenüber Relais auf und haben in der Regel eine geringere Erschütterungs- und Stoßempfindlichkeit.
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Eine vorteilhafte weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine Batterievorrichtung vor, bei der die Batteriezelleneinheit als Hochvoltbatterie ausgeführt ist. Der Begriff Hochvoltbatterie ist in der Fachwelt nicht klar definiert. In diesem Fall wird von einer Hochvoltbatterie ab 60 Volt Spannung gesprochen. Hochvoltbatterien neigen tendenziell eher dazu aufgrund vorgenanntem Induktionsprinzip, elektromagnetische Störfelder auszubilden. Aus diesem Grund macht eine Batterievorrichtung, welche eben diese Störfelder reduziert, besonders bei Hochvoltbatterien Sinn. Dabei ist der Einsatz von Hochvoltbatterien nicht nur auf das Antreiben eines Kraftfahrzeugs beschränkt. Hochvoltbatterien können auch andere leistungselektronische Komponenten steuern.
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In einer besonders weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei der Batterievorrichtung die Batteriezelleneinheit als Traktionsbatterie zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Eine Traktionsbatterie ist ein Energiespeicher, der zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Sie besteht aus mehreren zusammengeschalteten Akkumulatorzellen oder Zellenblöcken. Traktionsbatterien können hohe Ströme beziehungsweise Spannungen bereitstellen und haben daher ein erhöhtes Potential, elektromagnetische Störfelder auszubilden. Da die vorliegende Erfindung auf eine Reduzierung dieser elektromagnetischen Störfelder abzielt, die sich über das Batteriegehäuse ausbreiten können, ist die vorgenannte Erfindung bei Traktionsbatterien besonders vorteilhaft.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht ein Kraftfahrzeug mit einer Batterievorrichtung vor, wobei die Batteriezelleneinheit zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. In diesem Fall stellt die Batteriezelleneinheit deutlich höhere Spannungen beziehungsweise Stromstärken bereit als Batterien in den derzeit eingesetzten Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Aufgrund der erhöhten Robustheit der Batterievorrichtung durch eine entsprechende Lösung gemäß Anspruch 1 können Batterievorrichtungen mit entsprechend hohem Leistungspotential auch im Bereich der Elektromobilität Einsatz finden, ohne dass dabei schädliche elektromagnetische Störwellen sich über das Batteriegehäuse ausbreiten. Der Einsatz von robusteren Batterien für Elektrofahrzeuge ist besonders dann vorteilhaft, wenn es darum geht, in Städten die Elektromobilität zu fördern und sich somit emissionsarm fortzubewegen. Die momentane Diskussion um Dieselfahrzeuge zeigt deutlich, dass es Planungen gibt, welche vorsehen, dass gewisse Fahrzeuge innerhalb von deutschen Großstädten verbannt werden sollen. Da ein Elektro- beziehungsweise Hybridfahrzeug deutlich weniger Emissionen aufweist als ein konventionelles Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, sind Elektrofahrzeuge hinsichtlich der vorgenannten Diskussion deutlich im Vorteil. Jedoch ist zu erwarten, dass sich Elektrofahrzeuge nur dann durchsetzen, wenn diese von Kunden als zuverlässig empfunden werden. Hier kann die erfindungsgemäße Batterievorrichtung einen Beitrag leisten.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises einer Batterievorrichtung mit einer Batteriezelleneinheit, einem Batteriegehäuse, in dem die Batteriezelleneinheit untergebracht ist, einem Zwischenkreiskondensator, mindestens einem ersten und vierten Schaltelement zum Verbinden der Batteriezelleneinheit mit dem Zwischenkreiskondensator und einer Ladeschaltung für den Zwischenkreiskondensator, die eine zu dem ersten Schaltelement parallele Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einem zweiten Vorladewiderstand aufweist, bereit. Im Zwischenkreis wird das vierte und zweite Schaltelement geschlossen, wobei das erste Schaltelement geöffnet bleibt. Dieser Verfahrensschritt stellt eine normale Vorladung der Batterievorrichtung dar, wie es bereits im Stand der Technik offenbart wurde. Der nächste Verfahrensschritt kennzeichnet die vorliegende Erfindung. Ein drittes Schaltelement, welches den Zwischenkreis mit dem Batteriegehäuse verbindet, wird zur Vorladung des Batteriegehäuses geschlossen. Dadurch erfolgt ebenfalls am Batteriegehäuse eine Vorladung. Dadurch wird die Ausbreitung elektromagnetischer Störfelder über das Batteriegehäuse deutlich reduziert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ein Schaltbild einer exemplarischen Batterievorrichtung mit Zwischenkreis und Vorladeschaltung der Cy-Kapazitäten.
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Die einzige Fig. zeigt beispielhaft ein Schaltbild einer Batterie mit einem Zwischenkreis 18 und einem darum angeordneten Batteriegehäuse 2. Innerhalb des Zwischenkreises 18 befindet sich ein Zellstapel 1, der Energie für ein Elektrofahrzeug bereitstellt. Innerhalb des Zwischenkreises 18 sind ein erstes Schaltelement 6, ein zweites Schaltelement 7, ein drittes Schaltelement 11 und ein viertes Schaltelement 9 angeordnet. Zudem beinhaltet der Zwischenkreis 18 eine Zwischenkreiskapazität 16. An den Plus- beziehungsweise Minusbatteriesteckern 12/13 der Batterie wird elektrische Leistung aus der Batterie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs entnommen.
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Das vierte Schaltelement 9 ist prinzipiell nicht zwingend nötig. Der Zwischenkreis 18 könnte auch allein durch das erste Schaltelement 6 abgetrennt werden. In der Automobilbranche hat es sich jedoch eingebürgert, dass zusätzlich zu dem ersten Schaltelement 6 ein weiteres Schaltelement, hier das vierte Schaltelement 9, verbaut wird. Bei Batterien kann es in ungünstigen Umständen dazu kommen, dass das erste Schaltelement 6 durchschmort und dauerhaft geschlossen bleibt. Es würde somit als Schaltelement ausfallen. In einem solchen Fall würde das erste Schaltelement 6 einen dauerhaften Leiter darstellen. Um dennoch den Zwischenkreis 18 effektiv von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs trennen zu können, wird sicherheitshalber ein weiteres Schaltelement, hier das vierte Schaltelement 9, in den Zwischenkreis 18 verbaut.
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Bei einer Vorladung des Zwischenkreises 18 werden das vierte Schaltelement 9 und das zweite Schaltelement 7 geschlossen. Um das Batteriegehäuse 2 in den Vorladeprozess mit einzubeziehen, wird auch das dritte Schaltelement 11 geschlossen. Nun findet eine Vorladung des Zwischenkreises 18 statt, bei der auch das Batteriegehäuse 2 mit inbegriffen ist. Wäre dies nicht der Fall und würde nur der Zwischenkreis 18 vorgeladen, so würden bei einem Stromfluss in das Kraftfahrzeugbordnetz über magnetische Induktion elektromagnetische Störfelder auf das Batteriegehäuse 2 gelangen. Diese elektromagnetischen Störfelder können zu verschiedenen Fehlerursachen führen.
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So kann es beispielsweise vorkommen, dass diverse Sensoren völlig unerwartet unrealistische Signale ausgeben. Da bei einem Zuschalten der Batterievorrichtung 19 zum elektrischen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs dieser starke Stromfluss nur sehr kurzzeitig besteht, können diese fehlerhaften Anzeigen kurzzeitig auftreten. Auch wenn diese kurzzeitigen Störungen günstigenfalls relativ schnell abklingen, kann nicht ausgeschlossen werden, dass sensible Elektronikkomponenten, beispielsweise Temperatur-, Distanz- oder weitere Sensoren, Schaden nehmen. Um die genannten negativen Effekte zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren, wird in der vorliegenden Erfindung das Batteriegehäuse 2 in den Vorladeprozess der Batterievorrichtung 19 mit einbezogen. Die elektromagnetischen Störwellen können sich somit nicht mehr so stark auf das Batteriegehäuse 2 übertragen.
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Die Spannung am Zellstapel 1 wird Packspannung 4 genannt. Die elektrische Spannung, die am Zwischenkreiskondensator 16 anliegt, wird als Linkspannung 15 bezeichnet. Nach einer Angleichung der Packspannung 4 mit der Linkspannung 15 wird das erste Schaltelement 6 geschlossen und das zweite Schaltelement 7 geöffnet. Ebenso wird das dritte Schaltelement 11 geöffnet. Da bei der Batterievorrichtung 19 nun auch das Batteriegehäuse 2 vorgeladen ist, bilden sich deutlich geringere elektromagnetische Störfelder aus, die über das Batteriegehäuse 2 in das Elektrofahrzeug gelangen. Damit werden negative EMV-Einflüsse während der Vorladung deutlich verringert und eine deutliche Steigerung der Robustheit der Batterievorrichtung 19 wird erzielt.
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Die Dimensionierung der Schaltelemente und verwendeten Widerstände hängt vor allem von der Packspannung 4, der gewünschten Vorladezeit, der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 16 sowie der Cy-Kapazitäten 17 und 14 ab und kann frei variiert werden. So ermöglicht beispielsweise ein höherer Vorladewiderstand 8 eine langsamere Vorladung des Zwischenkreises 18. Dasselbe gilt auch für einen Cy-Vorladewiderstand 10 in Bezug auf die Vorladezeit des Batteriegehäuses 2. Die in der Fig. erwähnten Schaltelemente sind in der Regel als Relais ausgeführt. Es ist jedoch auch denkbar, dass manche Schaltelemente als MOSFET-Halbleiter ausgebildet sind. Es ist also durchaus möglich, dass anstelle von Relais auch Transistoren zum Einsatz kommen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Einsatz von Batterien für Elektrofahrzeuge beschränkt. Auch andere Batterien, beispielsweise 12 Volt Batterien, welche in Kraftfahrzeugen mit reinem Verbrennungsmotor eingesetzt werden, können von dieser vorliegenden Erfindung profitieren. Besonders dann, wenn äußerst sensible Elektronikkomponenten vorhanden sind, kann eine Batterievorrichtung gemäß dieser vorliegenden Erfindung auch Bereichen außerhalb von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen sinnvoll sein.
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Mit dieser vorliegenden Erfindung wird ein zu großer Stromfluss über die Kabelschirmung auf das Batteriegehäuse 2 verhindert. Damit wird eine sensible Elektronik innerhalb der Batterievorrichtung 19 als auch im restlichen Elektrofahrzeug besser geschützt, da elektromagnetische Störfelder sich weniger stark ausbreiten können. Ohne diese Vorladung des Batteriegehäuses 2 würde ein zu großer Stromfluss über die Kabelschirmung auf das Batteriegehäuse 2 erfolgen und zu EMV-Einflüsse führen, welche die bereits genannten negativen Begleiterscheinungen hervorrufen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellstapel
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Minus-Pfad
- 4
- Packspannung
- 5
- Plus-Pfad
- 6
- erstes Schaltelement
- 7
- zweites Schaltelement
- 8
- zweiter Vorladewiderstand
- 9
- viertes Schaltelement
- 10
- dritter Vorladewiderstand
- 11
- drittes Schaltelement
- 12
- Plus Batteriestecker
- 13
- Minus Batteriestecker
- 14
- Cy-Kapazität
- 15
- Linkspannung
- 16
- Zwischenkreiskondensator
- 17
- Cy-Kapazität
- 18
- Zwischenkreis
- 19
- Batterievorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008013706 A1 [0002, 0006]
