DE102017114988A1 - Hochvoltbatterieteilung für Ladesäulenanschluss - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur geschalteten Teilung einer Hochvoltbatterie (11) eines Fahrzeugs, welches zur Aufladung der Hochvoltbatterie (11) an eine Ladesäule (12) angeschlossen wird, die eine Ladespannung eines bestimmten Spannungsniveaus bereitstellt, wobei sich das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie (11) aus einer Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen (20) gleicher Nennspannung ergibt, gekennzeichnet dadurch, dass das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie (11) einem ganzzahligen Vielfachen N des Spannungsniveaus der Ladespannung der Ladesäule (12) entspricht, wobei die Hochvoltbatterie (11) mittels einer ersten Schalterstellung einer Zahl von (3N-3) Leistungshalbleitern (18, 19) in N aus einer gleichen Zahl von (M/N) Modulen bestehende, parallel verschaltete Segmente (21, 22) aufgeteilt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur geschalteten Teilung einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeuges, welches zur Aufladung der Hochvoltbatterie an eine Ladesäule angeschlossen wird. Ferner wird ein das Verfahren und das System verwendendes Fahrzeug beansprucht.
  • Derzeit übliche Elektrofahrzeuge, einschließlich elektrische Hybridfahrzeuge und batterieelektrische Fahrzeuge, weisen eine Antriebsspannung bis 400 V auf. Dementsprechend ist eine als Energieversorgung im Fahrzeug mitgeführte Hochvoltbatterie, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, in der Regel eine Batterie in Form einer gewissen Anzahl von in Reihe geschalteten Sekundärzellen, auf diese Spannungshöhe ausgelegt. Auch im öffentlichen Raum zugängliche Ladesäulen bieten standardmäßig eine Ladespannung von 400 V an. Demgegenüber wird gemeinhin in elektrischen Nutzfahrzeugen, Sportwagen und Rennfahrzeugen, um eine erforderliche Antriebsleistung von mehr als 250 Kilowatt bereitzustellen, vorteilhaft mit Spannungen von bspw. 800 V oder gar 1200 V gearbeitet. Um Gewicht durch Schaltungssysteme, die eine Bordspannung erst auf ein solches Niveau anheben müssten, einzusparen, ist es vorteilhaft, eine Hochvoltbatterie ebenfalls in diesem Spannungsbereich zu betreiben. Allerdings würde dies wiederum Schaltungssysteme erforderlich machen, welche die von den Ladesäulen angebotene Spannung von 400V auf die Spannung der Hochvoltbatterie hochsetzen.
  • Der Stand der Technik bietet die Möglichkeit, über Spannungswandler und insbesondere Gleichspannungssteller, sogenannte DC/DC-Booster, ein gewünschtes Spannungsniveau, bspw. der Hochvoltbatterie mit 800 V, aus einem vorgegebenen Spannungsniveau, bspw. der Ladesäule mit 400 V, zu versorgen. Zusätzlich zu Effizienzeinbußen weisen derartige elektronische Bauteile aber ein vergleichsweise hohes Gewicht, hohe Herstellungskosten, und einen großen Raumbedarf auf.
  • Des Weiteren besteht im Stand der Technik die Möglichkeit, die Sekundärzellen einer Batterie in mehreren Gruppen, bis hinunter zur Ansteuerung einer einzelnen Zelle, parallel zu schalten. Das Spannungsniveau liegt damit niedriger als wenn es sich aus einer Gesamtspannung aller seriell geschalteten Sekundärzellen ergeben würde. Ein solches Verfahren wird in der Druckschrift US 2013 0106 357 A1 offenbart, bei dem ein Entladungszustand einer jeweiligen Gruppe von Sekundärzellen herangezogen wird, einen weiteren Entlade- oder Ladevorgang mittels eines Schaltschütz zu steuern. Dabei wird pro Gruppe ein Schaltschütz, ein ebenfalls vergleichsweise großes und schweres elektronisches Bauteil, benötigt.
  • Die Aufteilung einer Batterie auf geeignete Gruppen aus Sekundärelementen anhand eines zur Verfügung stehenden Ladestroms wird in Druckschrift US 2012 0013 303 A1 von einer Ladungskontrolleinheit durchgeführt, was wiederum eine Parallelschaltung der Gruppen und den Einsatz elektronischer Bauelemente mit den voranstehend genannten Nachteilen zur Folge hat.
  • Von der Anmelderin selbst ist die Druckschrift DE 10 2013 102 576 A1 zu nennen, welche die Vorteile eines mehrfachen Ladeanschlusses ins Feld führt. Explizit bei einer Hochvoltbatterie von 800 V kann so mit zwei Ladeanschlüssen von 400 V ein Ladevorgang schneller durchgeführt werden, allerdings müssen hierfür auch zwei Ladesäulen zur Verfügung stehen.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufladung einer Hochvoltbatterie an einer Ladesäule mit einer niedereren Ladespannung als die Betriebsspannung der Hochvoltbatterie bereitzustellen, ohne dabei den Einbau komplexer leistungselektronischer Bauelemente erforderlich zu machen. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und ein das Verfahren und das System verwendendes Fahrzeug bereitzustellen.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur geschalteten Teilung einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs beansprucht, wobei das Fahrzeug zur Aufladung der Hochvoltbatterie an eine Ladesäule angeschlossen wird, die eine Ladespannung eines bestimmten Spannungsniveaus bereitstellt, wobei sich das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie aus einer Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen gleicher Nennspannung ergibt, gekennzeichnet dadurch, dass das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie einem ganzzahligen Vielfachen N des Spannungsniveaus der Ladespannung der Ladesäule entspricht, wobei die Hochvoltbatterie mittels einer ersten Schaltung einer Zahl von (3N-3) Leistungshalbleitern in N aus einer gleichen Zahl von (M/N) Modulen bestehende, parallel verschaltete Segmente aufgeteilt wird.
  • Um die erste Schaltung, eine Parallelschaltung der N Segmente der Hochvoltbatterie, zu bewirken, befindet sich zwischen jedem der N Segmente ein Leistungshalbleiter. Daraus ergeben sich insgesamt (N-1) Leistungshalbleiter, die eine offene Schalterstellung aufweisen. Gleichzeitig verlaufen von einem Pluspol eines ersten Segments weitere (N-1) Zuleitungen zu (N-1) Pluspolen der anderen (N-1) Segmente. Jede dieser (N-1) Zuleitungen weist einen Leistungshalbleiter mit geschlossener Schalterstellung auf. Daraus ergeben sich weitere insgesamt (N-1) Leistungshalbleiter. Ebenso gehen von einem Minuspol eines letzten Segments weitere (N-1) Zuleitungen zu (N-1) Minuspolen der restlichen Segmente. Jede dieser (N-1) Zuleitungen weist einen Leistungshalbleiter mit offener Schalterstellung auf, woraus sich nochmals (N-1) Leistungshalbleiter ergeben. Um eine Reihenschaltung der N Segmente der Hochvoltbatterie zu bewirken, nehmen die bezeichneten Leistungshalbleiter eine jeweilig andere Schalterstellung ein, wodurch eine zweite Schaltung gebildet ist. Zu einer Aufladung der Hochvoltbatterie wird der Pluspol des ersten Segments mit dem Pluspol der Ladesäule verbunden und der Minuspol des letzten Segments mit dem Minuspol der Ladesäule verbunden. Zusammengenommen werden zu der jeweiligen Reihen- oder Parallelschaltung der N Segmente insgesamt dreimal (N-1), also (3N-3) Leistungsschalter verwendet.
  • Beispielhaft für eine Ladespannung einer Ladesäule ist hier 400 V zu nennen. Weist die Hochvoltbatterie bspw. ein Spannungsniveau von 800 V auf, was dem Zweifachen des Spannungsniveaus der Ladesäule, entspricht, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hochvoltbatterie in N=2 Segmente mittels (3N-3)=3 Leistungshalbleiter aufgeteilt. Bei der gleichen Ladespannung kann das erfindungsgemäße Verfahren bspw. bei einer Hochvoltbatterie mit einem Spannungsniveau von 1200 V, was dem Dreifachen des Spannungsniveaus der Ladesäule entspricht, angewendet werden. Die Hochvoltbatterie wird in N=3 Segmente mittels (3N-3)=6 Leistungshalbleiter aufgeteilt. Weitere Umsetzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit anderen, bspw. niedrigeren Ladespannungen, oder gar noch höheren Spannungsniveaus der Hochvoltbatterie sind ausführbar.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Hochvoltbatterie mit einer solchen Zahl M von Modulen gewählt, dass sich die Zahl M aus einer Multiplikation des Vielfachen N mit einer ganzen Zahl ergibt. Vorteilhaft wird dadurch für die einzelnen Segmente, die sich aus den (M/N) Modulen zusammensetzen, eine gleiche Gesamtnennspannung und damit das gleiche Spannungsniveau erreicht.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Hochvoltbatterie zur Beendigung der Aufladung mittels der zweiten Schalterstellung der (3N-3) Leistungshalbleiter, die eine Reihenschaltung der N Segmente bewirkt, in einen Betriebszustand geschaltet. Das Fahrzeug wird hierzu von der Ladesäule getrennt und ist betriebsbereit, d.h. bspw. einem elektronischen Antriebssystem steht das volle Spannungsniveau der Hochvoltbatterie zur Verfügung.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Leistungshalbleiter gekühlt. Ein durch die geschlossenen (2N-2) Leistungshalbleiter fließender Ladestrom führt zu einer Wärmeentwicklung in den jeweiligen Leistungshalbleitern. In gleicher Weise kann es im Betriebszustand zu einer Wärmeentwicklung in den (N-1) Leistungshalbleiter der Reihenschaltung kommen. Um die Leistungshalbleiter zu schützen ist es daher vorteilhaft, die sich entwickelnde Wärme durch ein Kühlungssystem abzuführen.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Kühlung der Leistungshalbleiter mittels einer Wasserkühlung der Hochvoltbatterie. Da die im Fahrzeug verbaute Hochvoltbatterie im Allgemeinen bereits ein Kühlungssystem, bspw. durch einen Wasserkreislauf, aufweist, können die Leistungshalbleiter vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Hochvoltbatterie an dieses Kühlungssystem angeschlossen werden.
  • Ferner wird ein System zur geschalteten Teilung einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeuges beansprucht, welches zur Aufladung der Hochvoltbatterie an eine Ladesäule angeschlossen wird, die eine Ladespannung eines bestimmten Spannungsniveaus bereitstellt, wobei das System eine Hochvoltbatterie umfasst, deren Spannungsniveau sich aus einer Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen ergibt, wobei das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie einem ganzzahligen Vielfachen N des Spannungsniveaus der Ladespannung der Ladesäule entspricht, und wobei das System eine Zahl von (3N-3) Leistungshalbleitern aufweist, die dazu konfiguriert sind, wahlweise eine erste oder eine zweite Schalterstellung einzunehmen, wobei die erste Schalterstellung die Hochvoltbatterie in N aus einer gleichen Zahl von (M/N) Modulen bestehende, parallel verschaltete Segmente aufteilt. Ein zu Buche schlagendes Gewicht oder Ausmaß der (3N-3) Leistungshalbleiter ist dabei wesentlich geringer als bei bislang im Stand der Technik herangezogenen elektronischen Bauteilen.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist die Hochvoltbatterie ein solche Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen auf, bei der eine Teilung der Vielzahl M durch das Vielfache N des Spannungsniveaus der Ladespannung eine ganze Zahl ergibt.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems wird durch die zweite Schalterstellung der (3N-3) Leistungshalbleiter eine Reihenschaltung der N Segmente bewirkt, welche zur Beendigung der Aufladung einen fahrbereiten Betriebszustand des Fahrzeugs darstellt.
  • In weiterer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße System zusätzlich eine Kühlung der Leistungshalbleiter auf. Hierzu kann die in der Hochvoltbatterie meist bereits vorhandene Wasserkühlung herangezogen werden.
  • Schließlich wird ein mit dem erfindungsgemäßen System ausgestattetes Fahrzeug beansprucht, welches das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zweigeteilten Hochvoltbatterie.
  • In 1 wird in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung 10 einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zweigeteilten Hochvoltbatterie 11 gezeigt. Für einen Ladevorgang werden durch die Schaltung 17 die Module 20 der Hochvoltbatterie 11 in zwei Segmente 21 und 22 aufgeteilt und an eine Ladesäule 12 angeschlossen. Hierzu wird ein Leistungsschalter 18 geöffnet und die beiden Leistungsschalter 19 geschlossen. Zur Beendigung der Aufladung wird die Hochvoltbatterie 11 von der Ladesäule 12 getrennt und durch Öffnung der beiden Leistungsschalter 19 und Schließung des Leistungsschalters 18 in Reihe geschaltet. Dies stellt einen fahrbereiten Betriebszustand dar, bei dem an einem vorderen Wechselrichter 13 und an einem rückwärtigen Wechselrichter 14 eine jeweilige Wechselspannung an einem jeweiligen Anschluss 15 bzw. 16 zur Verfügung gestellt wird. Ist in der Hochvoltbatterie 11 eine Kühlung, bspw. eine Wasserkühlung vorhanden, kann die Schaltung 17 vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Hochvoltbatterie 11, ggfs. innerhalb eines Gehäuses der Hochvoltbatterie 11, verbaut werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20130106357 A1 [0004]
    • US 20120013303 A1 [0005]
    • DE 102013102576 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur geschalteten Teilung einer Hochvoltbatterie (11) eines Fahrzeugs, welches zur Aufladung der Hochvoltbatterie (11) an eine Ladesäule (12) angeschlossen wird, die eine Ladespannung eines bestimmten Spannungsniveaus bereitstellt, wobei sich das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie (11) aus einer Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen (20) gleicher Nennspannung ergibt, gekennzeichnet dadurch, dass das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie (11) einem ganzzahligen Vielfachen N des Spannungsniveaus der Ladespannung der Ladesäule (12) entspricht, wobei die Hochvoltbatterie (11) mittels einer ersten Schalterstellung einer Zahl von (3N-3) Leistungshalbleitern (18, 19) in N jeweils aus einer gleichen Zahl von (M/N) Modulen bestehende, parallel verschaltete Segmente (21, 22) aufgeteilt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hochvoltbatterie (11) mit einer solchen Zahl M von Modulen (20) gewählt wird, dass sich die Zahl M aus einer Multiplikation des Vielfachen N mit einer ganzen Zahl ergibt.
  3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Hochvoltbatterie (11) zur Beendigung der Aufladung mittels einer zweiten Schalterstellung der (3N-3) Leistungshalbleiter (18, 19), welche die N Segmente (21, 22) in Reihe schaltet, in einen Betriebszustand geschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Leistungshalbleiter (18, 19) gekühlt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Kühlung der Leistungshalbleiter (18, 19) mittels einer Wasserkühlung der Hochvoltbatterie (11) erfolgt.
  6. System zur geschalteten Teilung einer Hochvoltbatterie (11) eines Fahrzeugs, welches zur Aufladung der Hochvoltbatterie (11) an eine Ladesäule (12) angeschlossen wird, die eine Ladespannung eines bestimmten Spannungsniveaus bereitstellt, wobei das System eine Hochvoltbatterie (11) umfasst, deren Spannungsniveau sich aus einer Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen (20) ergibt, wobei das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie einem ganzzahligen Vielfachen N des Spannungsniveaus der Ladespannung der Ladesäule (12) entspricht, und wobei das System eine Zahl von (3N-3) Leistungshalbleitern (18, 19) aufweist, die dazu konfiguriert sind, wahlweise eine erste oder eine zweite Schalterstellung einzunehmen, wobei die erste Schalterstellung die Hochvoltbatterie (11) in N aus einer gleichen Zahl von (M/N) Modulen bestehende, parallel verschaltete Segmente (21, 22) aufteilt.
  7. System nach Anspruch 6, bei dem die Hochvoltbatterie (11) eine solche Zahl M von in Reihe geschalteten Modulen (20) aufweist, bei der eine Teilung der Vielzahl M durch das Vielfache N des Spannungsniveaus der Ladespannung eine ganze Zahl ergibt.
  8. System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die zweite Schalterstellung der (3N-3) Leistungshalbleiter (18, 19) eine Reihenschaltung der N Segmente (21, 22) bewirkt, welche zur Beendigung der Aufladung einen Betriebszustand darstellt.
  9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, welches eine Kühlung der Leistungshalbleiter (18, 19) aufweist.
  10. Fahrzeug, welches ein System nach einem der Ansprüche 6 bis 9 aufweist und dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
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