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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit einer Batteriezelleneinheit, einem Zwischenkreiskondensator, mindestens einem ersten 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.
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Die Druckschrift
EP 1977495 B1 beschreibt ein Batterielade-Nivelliersystem für ein elektrisch angetriebenes System, bei dem eine Batterie einer intermittierenden Hochstrombelastung ausgesetzt ist. Dieses System enthält eine erste Batterie, eine zweite Batterie und eine mit den Batterien gekoppelte Last. Ferner umfasst das System eine passive Speichervorrichtung, eine unidirektionale leitende Vorrichtung, die mit der passiven Speichervorrichtung in Reihe geschaltet ist und gepolt ist, um Strom von der passiven Speichervorrichtung zu der Last zu leiten, wobei die serielle elektrische Schaltung parallel zu der Batterie gekoppelt ist, so dass die passive Speichervorrichtung zur Last Strom liefert, wenn die Batterieklemmenspannung kleiner als die Spannung an der passiven Speichervorrichtung ist. Eine Batterieumschaltschaltung ist vorgesehen, die die erste und die zweite Batterie entweder bei einer niedrigeren Spannung parallel oder einer bei einer höheren Spannung in Reihe verbindet.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 000 960 A1 betrifft ein Verfahren zum Aufladen mindestens eines Zwischenkreis-Kondensators, der in einem zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Stromnetz zwischengeschalteten Zwischenkreis angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der Zwischenkreis über mindestens ein induktives Bauelement elektrisch an ein weiteres Stromnetz gekoppelt ist, das in dem induktiven Bauelement mindestens einmal ein temporäres Magnetfeld aufbaut, wobei durch eine beim anschließenden Abbau dieses Magnetfeldes im induktiven Bauelement induzierte Spannung der Zwischenkreis-Kondensator aufgeladen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zum Aufladen mindestens eines Zwischenkreis-Kondensators.
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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.
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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. Beispielsweise besteht im Moment des Zuschaltens beziehungsweise des Öffnens von Hauptschaltern in einer Batterie eines Elektrofahrzeugs die Gefahr, dass es bei den betroffenen Schaltern zu starken Spannungserhöhungen und dadurch zu Lichtbögen kommt. Dies ist unter anderem durch die Induktivitäten eines Zwischenkreises einer Batterievorrichtung bedingt. Dies gilt sowohl für das Laden als auch Entladen der Batterie.
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Lichtbögen sind elektrische Ströme, welche kurze Distanzen durch die Luft zurücklegen. Man kann Lichtbögen vereinfacht gesagt als „Mini-Blitze” bezeichnen. Diese Lichtbögen können auch in einer Batterievorrichtung eines Elektrofahrzeuges auftreten und durch die hohen Ströme zu verschmorten, verklebten Schaltelementen führen. Dadurch wird ein Schaltelement zu einem dauerhaften Leiter und als Schaltelement als solches zerstört. Dieses Phänomen wird auch als Schätzkleber bezeichnet. Dieser Effekt ist unter anderem hinsichtlich der Sicherheit von Elektrofahrzeugen als auch der Lebensdauer der verwendeten Relais nachteilig.
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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 aufgrund der Lichtbögen Schaden nehmen.
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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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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Robustheit einer Batterie, insbesondere ihrer Schaltelemente, weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterievorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Batterievorrichtung mit einer Batteriezelleneinheit, einem Zwischenkreiskondensator, mindestens einem ersten 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, vorgesehen. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Pufferschaltung, die ein drittes Schaltelement, einen dritten Vorladewiderstand und einen Pufferkondensator in Reihenschaltung aufweist, aus. Die Pufferschaltung ist parallel zu dem Zwischenkreiskondensator geschaltet. Kommt es während des Öffnens oder Schließens des ersten Schaltelements zu einer Überspannung, so kann der Pufferkondensator beziehungsweise die Pufferschaltung diese Überspannung entsprechend dämpfen und die Gefahr von Lichtbögen und Schützklebern am ersten Schaltelement reduzieren. Dieser Vorteil gilt auch für weitere Schaltelemente, wie zum Beispiel für ein zu dem ersten Schaltelement redundant ausgeführtes viertes Schaltelement.
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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 bloßem Auge erkennbar. Dies kann zum Beispiel dann hilfreich sein, wenn eine Reparatur an der Batterievorrichtung durchgeführt werden soll. Durch eine Pufferschaltung gemäß vorliegender Erfindung können Relais besser geschützt werden und deren Lebensdauer verlängert werden.
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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. Die Vorteile der Pufferschaltung hinsichtlich der Relais gelten sinngemäß auch für Schaltelemente auf der Basis von Halbleitertechnologie.
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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 von Induktivitäten, welche beispielsweise durch Spulen oder andere Schaltungen hervorgerufen werden, Ströme verzögert nachzuliefern, wenn zum Beispiel ein Schaltelement geöffnet wird. Die Induktivitäten wirken zunächst ihrer Ursache entgegen und dies kann hohen Spannungen an Schaltern und sogar zu Lichtbögen führen, wenn ein Schaltelement geöffnet wird. Aus diesem Grund macht eine Batterievorrichtung mit einer Pufferschaltung, welche eben diese Stromflüsse reduziert oder dämpft, 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 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, Schaltelemente zu beschädigen. Dies betrifft vornehmlich die Entstehung von Lichtbögen und Schützklebern. Da die vorliegende Erfindung auf eine Pufferung von Überspannungen abzielt, die sich in der Batterievorrichtung beim Öffnen beziehungsweise Schließen von Schaltelementen ergeben, ist die vorgenannte Erfindung bei Traktionsbatterien besonders vorteilhaft.
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Eine zusätzliche vorteilhafte Variante der vorliegenden Erfindung sieht eine Batterievorrichtung vor, bei der die Pufferschaltung ausgebildet ist, Rippelströme einer vorgegebenen Schaltung in vorgebbarer Weise zu filtern. Die Elemente der Pufferschaltung können zusätzlich so dimensioniert werden, dass eine gewünschte Filterung von Rippelströmen während des Betriebs stattfindet. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Spannungsspitzen herausgefiltert werden, was einen Stromfluss nicht unterbindet, jedoch für die Batterievorrichtung verträglicher ist.
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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 in der Regel deutlich höhere Spannungen beziehungsweise Stromstärken bereit als Batterien in den derzeit eingesetzten Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Aufgrund der reduzierten Gefahr von Lichtbögen oder Schützklebern beim Betätigen von Schaltelementen können Batterievorrichtungen mit integrierter Pufferschaltung leichter im Bereich der Elektromobilität Einsatz finden. Damit kann die erfindungsgemäße Batterievorrichtung einen Beitrag leisten, Elektroautos robuster, sicherer und langlebiger zu machen. Dies kann insgesamt hilfreich sein, in Städten die Elektromobilität zu fördern und sich somit emissionsarm fortzubewegen.
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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 Figur ein Schaltbild einer exemplarischen Batterievorrichtung mit Zwischenkreis und Pufferschaltung.
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Die einzige Figur zeigt beispielhaft ein Schaltbild einer Batterievorrichtung 21 mit einem Zwischenkreis, der einen Zwischenkreiskondensator 16 und eine dazu parallel geschaltete Pufferschaltung 20 beinhaltet. Die Pufferschaltung 20 weist einen Pufferkondensator 10, ein drittes Schaltelement 2 und einen dritten Vorladewiderstand 11 auf. Innerhalb des Zwischenkreises befindet sich eine Batteriezelleneinheit 1, häufig auch Zellstapel genannt, der Energie beispielsweise für ein Elektrofahrzeug bereitstellt.
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Innerhalb des Zwischenkreises sind ein erstes Schaltelement 6, ein zweites Schaltelement 7, ein zweiter Vorladewiderstand 8, das dritte Schaltelement 2 und ein viertes Schaltelement 9 angeordnet. Das zweite Schaltelement 7 dient zusammen mit dem zweiten Vorladewiderstand 8 dem Vorladen des Zwischenkreises der Batterievorrichtung 21. Die Batterievorrichtung 21 wird in der Regel solange vorgeladen, bis eine Packspannung 4 sich mit einer Linkspannung 15 angeglichen hat. An den Plus- beziehungsweise Minus-Batteriesteckern 12/17 der Batterie wird elektrische Leistung entlang eines Plus-Pfads 5 bzw. Minus-Pfads 3 aus der Batterie entnommen, um zum Beispiel ein Kraftfahrzeug anzutreiben.
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Das vierte Schaltelement 9 ist prinzipiell nicht zwingend nötig. Der Zwischenkreis 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, insbesondere bei Hochvoltbatterien, kann es in ungünstigen Umständen zu Lichtbögen und dadurch verursacht zu Schützklebern kommen. Es würde somit als Schaltelement ausfallen. In einem solchen Fall würde das erste Schaltelement 6 einen dauerhaften Leiter darstellen. Um dennoch den Zwischenkreis effektiv von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs trennen zu können, wird häufig sicherheitshalber ein weiteres Schaltelement, hier das vierte Schaltelement 9, in den Zwischenkreis verbaut.
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Ferner stellen Induktivitäten, wie zum Beispiel eine Spule 13 im Zwischenkreis oder eine Leitungsinduktivität 18 der Leitungen im Zwischenkreis, ebenfalls ein Potential dar, hohe Überspannungen zu erzeugen. Die Spule 13 kann jedoch auch als anderes induktives Bauteil ausgeführt sein. Da Induktivität prinzipiell seiner Ursache entgegenwirkt, bewirkt diese beispielsweise beim Öffnen der Hauptschaltelemente 6 und 9, dass für eine gewisse Zeit nach dem Öffnen der Schaltelemente noch zusätzliche Überspannungen auftreten können. Zwar könnte die Gefahr von Schützklebern durch einen entsprechend dimensionierten Leitungswiderstand 19 oder Widerstand 14 im Zwischenkreis reduziert werden, doch dies würde auf Kosten der Effizienz der Batterievorrichtung 21 gehen. Der Leitungswiderstand 19 ist in diesem Beispiel als Ersatzwiderstand für den elektrischen Widerstand der Leitungen im Zwischenkreis zu verstehen. Er kann jedoch auch als weiterer ohmscher Widerstand ausgebildet sein. Mithilfe der erfindungsgemäßen Pufferschaltung 20 können die auftretenden Überspannungen beim Öffnen oder Schließen der Hauptschalter 6 und 9 verringert werden. Die Kapazität des Pufferkondensators 10 würde in diesem Fall die Überspannung puffern und abmildern. Der Pufferkondensator 10 und der dritte Vorladewiderstand 11 können dabei je nach Batterie entsprechend dimensioniert werden und gegebenenfalls durch weitere Filterelemente ergänzt werden. So kann die Pufferschaltung 20 als Filter für Rippelströme während des Betriebs der Batterievorrichtung 21 dimensioniert werden.
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Ist eine Filterung von Rippelströmen nur zeitweise gewünscht, so wird das dritte Schaltelement 2 nur bedarfsweise geschlossen. Soll hingegen die Pufferschaltung 20 dauerhaft als Filter fungieren, so ist das dritte Schaltelement 2 im normalen Betrieb geschlossen.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit dieser vorliegenden Erfindung auftretende Überspannungen beim Öffnen oder Schließen der Hauptschalter 6 und 9 besser verringert werden können. Durch die erfindungsgemäße Pufferschaltung 20 wird die Gefahr von Lichtbögen in Relais reduziert, was die Sicherheit und die Lebensdauer von Batterievorrichtungen 21 erhöht. Zudem kann die Pufferschaltung 20 als Filter von Rippelströmen eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelleneinheit
- 2
- drittes Schaltelement
- 3
- Minus-Pfad
- 4
- Packspannung
- 5
- Plus-Pfad
- 6
- erstes Schaltelement
- 7
- zweites Schaltelement
- 8
- zweiter Vorladewiderstand
- 9
- viertes Schaltelement
- 10
- Pufferkondensator
- 11
- dritter Vorladewiderstand
- 12
- Plus-Batteriestecker
- 13
- Spule
- 14
- Widerstand
- 15
- Linkspannung
- 16
- Zwischenkreiskondensator
- 17
- Minus-Batteriestecker
- 18
- Leitungsinduktivität
- 19
- Leitungswiderstand
- 20
- Pufferschaltung
- 21
- Batterievorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1977495 B1 [0002]
- DE 102009000960 A1 [0003]
