DE102017209451A1

DE102017209451A1 - Elektrisches Energieversorgungssystem, Verfahren und Computerprogramm zum Betreiben des Energieversorgungssystems und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102017209451A1
Application number: DE102017209451.6A
Authority: DE
Inventors: Axel Schwab; Alfred Grom; Sergey Kochetov
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Es wird ein elektrisches Energieversorgungssystem (1) für ein Fahrzeug angegeben, umfassend einen Speicher (10) zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, eine Versorgungsschnittstelle (20) mit einem Versorgungseingang (21) zum Laden und einem Versorgungsausgang (22) zum Entladen des Speichers (10), eine Ladeschnittstelle (30), die zur Kopplung mit einer bezüglich des Fahrzeugs externen Spannungsquelle eingerichtet und mit dem Versorgungseingang (21) gekoppelt ist, und einen Versorgungsschalter (40), der eingerichtet ist, in einem ersten Schaltzustand den Speicher (10) mit dem Versorgungseingang (21) zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand den Speicher (10) mit dem Versorgungsausgang (22) zu koppeln. Es werden ferner ein korrespondierendes Betriebsverfahren sowie ein Computerprogramm und -programmprodukt angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben des Energieversorgungssystems, ein Computerprogramm und -programmprodukt.
Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb erfreuen sich immer höherer Beliebtheit. Im Hinblick auf Tankvorgänge von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind Ladevorgänge von Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb jedoch äußerst langwierig.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein elektrisches Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug sowie ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben des Energieversorgungssystems, ein Computerprogramm und - programmprodukt schaffen, das zu einem effizienten Ladevorgang des Fahrzeugs beiträgt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein elektrisches Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug.
Das Energieversorgungssystem umfasst einen Speicher zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, aufweisend eine Versorgungsschnittstelle mit einem Versorgungseingang zum Laden und einem Versorgungsausgang zum Entladen des Speichers. Das System umfasst ferner eine Ladeschnittstelle, die zur Kopplung mit einer bezüglich des Fahrzeugs externen Spannungsquelle eingerichtet und mit dem Versorgungseingang gekoppelt ist. Weiterhin umfasst das System einen Versorgungsschalter, der eingerichtet ist, in einem ersten Schaltzustand den Speicher mit dem Versorgungseingang zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand den Speicher mit dem Versorgungsausgang zu koppeln.
In vorteilhafter Weise ermöglicht dies einen getrennten Lade- und Entladevorgang des Speichers. Insbesondere kann so eine höhere Ladespannung als Entladespannung am Speicher angelegt bzw. von diesem bezogen werden. In vorteilhafter Weise kann so zu einem effizienten Ladevorgang beigetragen werden.
Bei dem Speicher handelt es sich insbesondere um einen Hochvoltspeicher zum Betrieb mit einer beispielhaften Gleichspannung zwischen 400 V und 1000 V. Die Ladeschnittstelle ist insbesondere zum Anschluss an eine externe Ladesäule oder ähnliches eingerichtet. Bei dem Versorgungsschalter kann es sich beispielhaft um ein Doppelwechsel-Relais handeln.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist eine Betriebsspannung des Speichers abhängig von dem Schaltzustand des Versorgungsschalters anpassbar.
In vorteilhafter Weise ermöglicht dies ein besonders effizientes Laden des Speichers. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang auf einen im Ladebetrieb dem Speicher vorgeschalteten Spannungswandler verzichtet werden.
Beispielhaft kann die Betriebsspannung des Speichers je nach Schaltzustand 400 V oder 800 V betragen. Insbesondere ist der Speicher an eine an der Ladeschnittstelle anliegenden Ladespannung anpassbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Energieversorgungssystem ferner einen Speicherschalter. Der Speicher weist dabei wenigstens zwei Speichereinheiten mit einer vorgegebenen Speicherspannung auf, durch deren Verschaltung eine Betriebsspannung des Speichers anpassbar ist. Der Speicherschalter ist hierbei eingerichtet, die Speichereinheiten derart zu verschalten, dass in einem ersten Schaltzustand des Speicherschalters die Betriebsspannung des Speichers einer dem Versorgungsausgang zugeordneten vorgegebenen Traktionsspannung entspricht, und in wenigstens einem weiteren Schaltzustand des Speicherschalters die Betriebsspannung des Speichers einer der Ladeschnittstelle zugeordneten vorgegebenen Ladespannung entspricht.
Bei dem Speicherschalter kann es sich beispielhaft um ein Doppelwechsel-Relais handeln. Bei der Speichereinheit kann es sich beispielsweise um einen Zellblock, also eine Verschaltung einer Vielzahl an Batteriezellen handeln. Alternativ bezeichnet eine Speichereinheit eine einzige Batteriezelle des Speichers. Die Betriebsspannung des Speichers ist dabei abhängig von der Verschaltung der Speichereinheiten. Beispielhaft können einzelne Speichereinheiten abhängig von einem oder mehreren Schaltzuständen des Speicherschalters parallel oder aber in Reihe zu weiteren Speichereinheiten des Speichers geschaltet werden, so dass sich je nach Schaltzustand eine unterschiedliche Betriebsspannung des Speichers ergibt. Insbesondere entspricht die Betriebsspannung des Speichers dabei je nach Schaltzustand entweder einer vorgegebenen Betriebsspannung zum Betreiben eines oder mehrerer Verbraucher (sogenannte Traktionsspannung), oder aber einer oder mehrerer vorgegebener Ladespannung(en), die beispielhaft durch eine Ladesäule bereitgestellt wird. Beispielhaft beträgt eine Traktionsspannung 400 V; eine Ladespannung kann beispielsweise 400 V, 600 V, 800 V oder 1000 V betragen.
Dass die Betriebsspannung des Speichers der Traktionsspannung bzw. der Ladespannung entspricht, heißt hier und im Folgenden, dass eine Abweichung der Betriebsspannung des Speichers von der vorgegebenen Traktionsspannung bzw. der vorgegebenen Ladespannung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Beispielsweise beträgt der Schwellwert 10 V oder weniger.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Speicher genau zwei Speichereinheiten. Der Speicherschalter ist dabei eingerichtet, in dem ersten Schaltzustand des Speicherschalters die Speichereinheiten parallel zu schalten, und in dem wenigstens einen weiteren Schaltzustand des Speicherschalters die Speichereinheiten in Reihe zu schalten.
Abweichend hiervon kann der Speicher auch mehr als zwei Speichereinheiten, insbesondere eine Vielzahl an Speichereinheiten aufweisen, die analog zu den zwei vorgenannten Speichereinheiten allesamt oder aber nur teilweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können.
Hierdurch kann eine Mehrzahl an Betriebsspannungen des Speichers abgebildet werden, so dass der Speicher zum Laden mit mehr als einer vorgegebenen Ladespannung geeignet sein kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist die Ladespannung größer oder gleich der Traktionsspannung.
In vorteilhafter Weise ermöglicht dies ein effizientes Laden bei gleichbleibenden Ladestrom, bzw. gleicheffektives Laden bei geringerem Ladestrom. In vorteilhafter Weise können so Kabeldicken, -gewicht und -abschirmmaßnahmen bezüglich eines Ladekabels zum Anschluss an die Ladeschnittstelle gering gehalten werden. Insbesondere ist das System ausgelegt, dass die Ladespannung größer oder gleich der Traktionsspannung ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt bilden der Speicherschalter und die Speichereinheiten eine Baueinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind der Speicherschalter und die Speichereinheiten jeweils extern zueinander angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Energieversorgungssystem einen Spannungswandler, der eingangsseitig mit der Ladeschnittstelle gekoppelt und ausgangsseitig zur Kopplung mit einem Verbraucher vorgesehen ist. Der Spannungswandler ist dabei eingerichtet, in dem ersten Schaltzustand des Versorgungsschalters eine der Ladeschnittstelle zugeordnete vorgegebene Ladespannung in eine dem Verbraucher zugeordnete vorgegebene Traktionsspannung zu wandeln.
In vorteilhafter Weise ermöglicht dies im Ladebetrieb des Fahrzeugs einen fortlaufenden Einsatz essentieller Elektrogeräte wie zur Kühlung oder Erwärmung des Speichers oder einer Niedervoltquelle.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt bildet der Spannungswandler mit dem Versorgungsschalter und/oder dem Speicherschalter eine Baueinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Energieversorgungssystem eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist dabei eingerichtet, den jeweiligen Schaltzustand des Versorgungsschalters und/oder des Speicherschalters abhängig von einer an der Ladeschnittstelle anliegenden Spannung einzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems. Das Energieversorgungssystem umfasst einen Speicher, eine Versorgungsschnittstelle, eine Ladeschnittstelle und einen Versorgungsschalter. Bei dem Verfahren wird

(a) eine an der Ladeschnittstelle zur Verfügung stehende Spannung ermittelt;
(b) die ermittelte Spannung mit wenigstens einem vorgegebenen Ladespannungsbereich verglichen; und
(c) der Versorgungsschalter angesteuert, wobei der Versorgungsschalter im Falle, dass die ermittelte Spannung in dem wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereich liegt
(c1) in einen ersten Schaltzustand versetzt wird, in dem der Speicher mit einem Versorgungseingang der Versorgungsschnittstelle gekoppelt wird, so dass der Speicher über die Ladeschnittstelle mit elektrischer Energie versorgt wird; und der Versorgungsschalter im Falle, dass die ermittelte Spannung außerhalb des wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereichs liegt
(c2) in einen zweiten Schaltzustand versetzt wird, in dem der Speicher mit einem Versorgungsausgang der Versorgungsschnittstelle gekoppelt wird, so dass der Speicher von der Ladeschnittstelle entkoppelt ist und über den Versorgungsausgang elektrische Energie bereitstellt.

Die Ladeschnittstelle ist insbesondere koppelbar mit einer externen Spannungsquelle, über die elektrische Energie bereitgestellt wird. Der Schritt a) umfasst beispielsweise ein Ermitteln einer an der Ladeschnittstelle anliegenden Spannung.
Beispielhaft können die externe Ladeschnittstelle und die Ladeschnittstelle über Kommunikationseinheiten zur signaltechnischen Kopplung miteinander verfügen. Der Schritt a) kann dann beispielsweise alternativ oder zusätzlich zu einem Ermitteln einer an der Ladeschnittstelle anliegenden Spannung ein Ermitteln einer durch die externe Spannungsquelle vorgehaltene Spannung umfassen; beispielhaft wird hierbei eine maximal übertragbare Leistung von Energieversorgungssystem und Spannungsquelle ausgehandelt.
Der wenigstens eine Ladespannungsbereich kann beispielsweise Ladespannungen größer 0 V, insbesondere zwischen 0 V und 1500 V umfassen. Beispielhaft umfasst jeweils ein Ladespannungsbereich einen Bereich um vorgenannte Ladespannungswerte, wie z.B. 301-500 V, 501-700 V, 701-900 V und 901-1100 V. Die Bereiche können abweichend hiervon beliebig klein gewählt sein und insbesondere auch diskrete Werte wie z.B. vorgenannte Ladespannungswerte 400 V, 600 V, 800 V und 1000 V bezeichnen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt weist das Energieversorgungssystem ferner einen Speicherschalter auf. Bei dem Verfahren wird ferner (d) der Speicherschalter angesteuert, wobei der Speicherschalter im Falle, dass die ermittelte Spannung außerhalb des wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereichs liegt

(d1) in einen ersten Schaltzustand versetzt wird, in dem Speichereinheiten des Speichers derart verschaltet werden, dass der Speicher eine vorgegebene Traktionsspannung als Betriebsspannung aufweist; und
der Speicherschalter im Falle, dass die ermittelte Spannung in dem wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereich liegt
(d2) in wenigstens einen weiteren Schaltzustand versetzt wird, in dem die Speichereinheiten des Speichers derart verschaltet werden, dass der Speicher eine vorgegebene Spannung aus dem wenigstens einen Ladespannungsbereich als Betriebsspannung aufweist.

Die vorgegebene Spannung aus dem wenigstens einen Ladespannungsbereich kann beispielhaft einen Mittelwert des jeweiligen Ladespannungsbereichs bezeichnen. Insbesondere wird die vorgegebene Spannung aus dem jeweiligen Ladespannungsbereich gewählt, in den die an der Ladeschnittstelle anliegende, ermittelte Spannung fällt. Die Betriebsspannung des Speichers wird in anderen Worten derart eingestellt, dass sie einer der Ladeschnittstelle zugeordneten vorgegebenen Ladespannung entspricht.
Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt eignet sich besonders zum Betreiben eines Energieversorgungssystems gemäß dem ersten Aspekt. Sämtliche in Zusammenhang mit dem ersten Aspekt offenbarte Merkmale gelten somit auch für den zweiten Aspekt, und umgekehrt.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Betreiben eines Energieversorgungssystems. Das Computerprogramm ist ausgebildet, ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt umfassend ausführbaren Programmcode, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt ausführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein beispielhaftes Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug,
2 ein weiteres beispielhaftes Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungssystems für ein Fahrzeug,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungssystems für ein Fahrzeug, und
5 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben des Energieversorgungssystems gemäß 4 oder 5.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fahrzeuge lassen sich heute zumeist mit einer maximalen Ladeleistung von 50 kW an einer DC-Ladestation laden. Bei höherer Ladeleistung verkürzt sich die Ladedauer, die Fahrzeuge würden sich dementsprechend schneller laden lassen.
1 zeigt ein beispielhaftes elektrisches Energieversorgungssystem 1 für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches geeignet ist, mit einer hohen Ladeleistung (> 100 kW) zu laden. Das System 1 kann auch als Hochvoltsystem bezeichnet werden.
Das System 1 umfasst einen Hochvoltspeicher 10. Der Speicher 10 weist beispielhaft ein oder mehrere Zellbänke als Speichereinheiten 11 auf, die jeweils mit einer vorgegebenen Nennspannung betrieben werden und deren Verschaltung miteinander eine Betriebsspannung des Speichers 10 vorgibt. Beispielhaft beträgt die vorgegebene Nennspannung der Zellbänke 11 und/oder die Betriebsspannung des Speichers 10 zwischen 400 V und 500 V, insbesondere 480 V.
Der Speicher 10 ist mit einer Ladeschnittstelle 30 des Fahrzeugs gekoppelt, welche wiederum mit einer externen Ladesäule oder ähnlichem koppelbar ist, um den Speicher 10 zu laden. Beispielsweise ist die Ladeschnittstelle 30 dabei zur Kopplung mit einer vorgegebenen Lade(gleich)spannung von ebenfalls zwischen 400 V und 500 V eingerichtet, insbesondere 480 V. Bei einem Ladestrom von 300 A ergibt sich eine Ladeleistung von 145 kW.
Weiterhin ist der Speicher 10 mit einem oder mehreren Verbrauchern 70 gekoppelt. Beispielhaft ist der Speicher 10 mit einem Niederspannungsnetz-Spannungswandler 71, einem elektrischen Kältemittelverdichter 72 und/oder einem elektrischen Durchlauferhitzer 73 gekoppelt. Der bzw. die Verbraucher 70 können ferner mit der Ladeschnittstelle 30 gekoppelt sein, so dass bei Anliegen einer Ladespannung ein Betrieb der Verbraucher 70 gewährleistet ist, beispielsweise um den Speicher 10 zu kühlen oder (vor-) zu wärmen. Alternativ oder zusätzlich kann so auch ein Betrieb weiterer elektrischer Verbraucher wie in einem 12 V Niederspannungsnetz (schematisch dargestellt durch die Ausgänge am Wandler 71) des Fahrzeugs ermöglicht werden. Eine Betriebsspannung der Verbraucher 70 kann auch als Traktionsspannung bezeichnet werden und beträgt beispielsweise 480 V.
Um eine höhere Ladeleistung und damit eine kürzere Ladedauer zu erzielen kann ein Ladestrom entsprechend erhöht werden. Hierfür sind jedoch dickere Ladeleitungen sowie - abschirmungen erforderlich.
Alternativ zur Erhöhung des Ladestroms kann auch eine Ladespannung erhöht werden. Mit Vorteil können so eine höhere Kabeldicke, bzw. -gewicht vermieden werden und zu einer besseren elektromagnetischen Verträglichkeit im Betrieb des Energieversorgungssystems 1 beigetragen werden. Um effizientes Laden des Speichers 10 zu gewährleisten ist jedoch eine Anpassung der am Speicher 10 anliegenden Spannung nötig.
2 zeigt ein beispielhaftes elektrisches Energieversorgungssystem 1 für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches gegenüber dem System 1 der 1 um einen Gleichspannungswandler 60 ergänzt ist. Der Wandler 60 ist eingangsseitig mit der Ladeschnittstelle 30 und ausgangsseitig mit dem Speicher 10 gekoppelt. Zusätzlich kann der Wandler 60 ausgangsseitig mit dem bzw. den Verbraucher(n) 70, 71, 72, 73 gekoppelt sein. Der Wandler 60 ist insbesondere eingerichtet, die eingangsseitige Ladespannung in eine Betriebsspannung des Speichers 10 zu wandeln. Die Ladespannung kann in diesem Zusammenhang beispielsweise zwischen 400 V und 1000 V, insbesondere 800 V betragen. Die Betriebsspannung des Speichers 10 und die Traktionsspannung betragen beispielhaft jeweils 400 V. Bei einem Ladestrom von 200 A und einer Ladespannung von 800 V ergibt sich eine Ladeleistung von 150 kW. Bei einem Ladestrom von 400 A und einer Ladespannung von 800 V oder einem Ladestrom von 300 A und einer Ladespannung von 1 kV ergibt sich eine Ladeleistung von 300 kW. Aufgrund der hohen Ladeleistung kann ein solcher Wandler 60 jedoch voluminös, teuer und schwer sein.
Anhand 3 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Energieversorgungssystems 1 für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug dargestellt, welches sich gegenüber den Beispielen der 1 und 2 darin unterscheidet, dass zwischen dem Speicher 10 und der Ladeschnittstelle 30 ein Versorgungsschalter 40 vorgesehen ist.
Insbesondere weist der Speicher 10 in diesem Zusammenhang eine Versorgungsschnittstelle 20 auf, die separat voneinander Versorgungseingänge 21 und Versorgungsausgänge 22 aufweist. Die Versorgungseingänge 21 sind mit der Ladeschnittstelle 30 gekoppelt, während die Versorgungsausgänge 22 mit den Verbrauchern 70 gekoppelt sind. Der Versorgungsschalter 40 ist eingerichtet, abhängig von seinem Schaltzustand den Speicher 10 mit den Versorgungseingängen 21 oder mit den Versorgungsausgängen 22 zu koppeln, so dass der Speicher 10 entweder elektrisch Energie von der Ladeschnittstelle 30 bezieht oder den Verbrauchern 70 elektrische Energie bereitstellt.
Der Speicher 10 kann in diesem Zusammenhang ferner einen Speicherschalter 50 umfassen, der Speichereinheiten 11, 12 des Speichers 10 miteinander verschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet der Speicherschalter 50 mit zwei Zellbänken 11, 12 eine Baueinheit, wobei die Zellbänke 11, 12 abhängig von einem Schaltzustand des Speicherschalters 50 in Reihe oder parallel geschaltet werden, so dass eine Betriebsspannung des Speichers 10 angepasst werden kann. Vorliegend werden die Zellbänke 11, 12 durch den Speicherschalter 50 beispielhaft derart umkonfiguriert, dass die Ladespannung exakt doppelt so hoch ist wie die Traktionsspannung. Die Ladespannung beträgt beispielhaft zwischen 400 V und 1000 V, insbesondere 800 V. Die Traktionsspannung beträgt beispielhaft 400 V. Je nach Schaltzustand des Speicherschalters 50 beträgt die Betriebsspannung des Speichers 10 400 V oder 800 V. Bei einem Ladestrom von 200 A und einer Ladespannung von 800 V ergibt sich eine Ladeleistung von 150 kW. Bei einem Ladestrom von 400 A und einer Ladespannung von 800 V oder einem Ladestrom von 300 A und einer Ladespannung von 1 kV ergibt sich eine Ladeleistung von 300 kW.
Bei den Schaltern 40, 50 kann es sich jeweils beispielsweise um einen Doppelwechselschalter bzw. ein Doppelwechsel-Relais handeln.
In vorliegendem Ausführungsbeispiel sind die Schalter 40, 50 über eine Steuerleitung 81 mit einer Steuereinheit 80 gekoppelt, die eingerichtet ist, die beiden Schalter 40, 50 beispielsweise zeitgleich in einen entsprechenden Schaltzustand zu versetzen, beispielhaft abhängig von einer an der Ladeschnittstelle 30 anliegenden Spannung. Im vorliegend dargestellten Schaltzustand der Schalter 40, 50 befindet sich das Fahrzeug beispielhaft im Betrieb; die Zellbänke 11, 12 sind parallel geschaltet, den Verbrauchern 70 wird die Traktionsspannung durch den Speicher 10 bereitgestellt und der Speicher 10 ist von der Ladeschnittstelle 30 entkoppelt. Beispielhaft werden die Schalter 40, 50 durch die Steuereinheit 80 in einen Lade-Schaltzustand versetzt, im Falle, dass eine vorgegebene Ladespannung an der Ladeschnittstelle 30 detektiert wird (nachfolgend mit Ladebetrieb bezeichnet).
Abweichend von 3 kann der Speicher 10 auch mehr als zwei Zellbänke 11, 12 umfassen, die mittels einer Schaltmatrix so umkonfiguriert werden, dass im Ladenbetrieb bestimmte Zellbänke in Reihe geschaltet sind, während dieselben Zellbänke in allen anderen Betriebsarten parallel geschaltet werden. Überdies ist ebenfalls denkbar, statt kompletter Zellbänke eine Vielzahl einzelner Batteriezellen als Speichereinheiten 11, 12 möglichst transientenarm auf Basis einer Schaltmatrix auf der Zellenmoduleebene analog zu verschalten. Dieser Ansatz ist zwar schaltungstechnisch komplexer, bietet jedoch den Vorteil, dass bei unterschiedlicher Zellenalterung Transienten von Zellen mit unterschiedlicher Spannungslage vermieden werden.
Optional kann das System 1 wie dargestellt darüber hinaus einen Gleichspannungswandler 60 aufweisen, der beispielsweise gewährleistet, dass bestimmte Hochvolt-Steuergeräte wie die Verbraucher 70, die auch im Ladebetrieb zur Klimatisierung des Speichers 10 und/oder des Fahrgastraums aktiv sein müssen, betrieben werden. Da eine Leistungsaufnahme der Verbraucher 70 im Ladebetrieb deutlich niedriger ist als eine Leistungsaufnahme des Speichers 10 („Ladeleistung“), kann im Vergleich zu dem Beispiel der 2 ein besonders bauraum-, kosten- und gewichtsparender Wandler 60 zum Einsatz kommen. Beispielhaft ist der Wandler 60 zur Gleichspannungswandlung von 800 V auf 400 V ausgelegt. Der Wandler 60 kann zum Beispiel eine Leistungsaufnahme von 9 kW aufweisen. Neben dem dargestellten Wandler 60 können weitere Gleichspannungswandler zur Wandlung der Ladespannung in die Traktionsspannung im Ladebetrieb vorgesehen sein, falls die Ladeschnittstelle 30 zur Kopplung mit unterschiedlichen Ladespannungen vorgesehen ist. Entsprechend kann der Speicherschalter 50 weitere Schaltzustände umfassen, um jeweils ein besonders effizientes Laden des Speichers 10 zu ermöglichen.
In vorteilhafter Weise kann durch Anpassung der Betriebsspannung des Speichers 10 an die Ladespannung ein besonders effizienter Betrieb des Systems 1 gewährleistet werden. Im Gegensatz zu dem Beispiel gemäß 2 können Verluste durch Betrieb des Wandlers 60 gering gehalten werden; diese treten überdies allenfalls im Betrieb der Verbraucher 70 auf. Gegenüber dem Beispiel der 2 ergeben sich außerdem vorteilhafte Einsparungen hinsichtlich Kosten und Bauraumbedarf. Weiterhin ermöglicht der Wandler 60 eine EMV-Isolation der Verbraucher 70 im Ladebetrieb, sodass auf teure Filtermaßnahmen für den Niederspannungsnetz-Spannungswandler 71, für den elektrischen Kältemittelverdichter 72 und/oder für den elektrischen Durchlauferhitzer 73 verzichtet werden kann.
Anhand 4 ist ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des elektrischen Energieversorgungssystems 1 dargestellt. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Speicherschalter 50 extern bezüglich des Speichers 10 angeordnet. Beispielhaft bilden die Schalter 40, 50 mit dem Wandler 60 eine Baueinheit. Die Baueinheit kann dann zum Beispiel über ein Anschlussfeld mit dem Speicher 10 gekoppelt sein. In vorteilhafter Weise ergibt sich dadurch eine Baueinheit, die als Sonderausstattung für effektives Schnellladen angeboten werden kann. Die Steuereinheit 80 weist insbesondere einen Daten-/Programmspeicher auf, in dem ein Programm gespeichert ist, das anhand des Ablaufdiagramms der 5 im Folgenden näher erläutert wird.
Das Programm wird in einem Schritt S10 gestartet, in dem beispielsweise Variablen initialisiert werden. In einem darauffolgenden Schritt S20 wird eine an der Ladeschnittstelle 30 zur Verfügung stehende Spannung ermittelt. In einem anschließenden Schritt S30 wird die ermittelte Spannung mit wenigstens einer vorgegebenen Ladespannung verglichen. Im Falle, dass die ermittelte Spannung der wenigstens einen vorgegebenen Ladespannung entspricht, beispielsweise also wenn die ermittelte Spannung 800 V beträgt, wird das Programm in einem Schritt S40 fortgesetzt, in dem der Versorgungsschalter 40 angesteuert und in einen ersten Schaltzustand versetzt wird. In dem ersten Schaltzustand wird der Speicher 10 mit dem Versorgungseingang 21 der Versorgungsschnittstelle 20 gekoppelt, so dass der Speicher 10 über die Ladeschnittstelle 30 mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Programm wird schließlich in einem Schritt S50 fortgesetzt, in dem der Speicherschalter 50 angesteuert und in einen Schaltzustand versetzt wird, in dem die Zellbänke 11, 12 des Speichers 10 derart verschaltet werden, dass der Speicher 10 die wenigstens eine ermittelte Ladespannung als Betriebsspannung aufweist. Das Programm wird anschließend beendet.
Im Falle, dass die ermittelte Spannung in dem Schritt S30 nicht der wenigstens einen vorgegebenen Ladespannung entspricht wird das Programm nach dem Schritt S30 in einem Schritt S60 fortgesetzt, in dem der Versorgungsschalter 40 angesteuert und in einen zweiten Schaltzustand versetzt wird. In dem zweiten Schaltzustand wird der Speicher 10 mit dem Versorgungsausgang 22 der Versorgungsschnittstelle 20 gekoppelt, so dass der Speicher 10 von der Ladeschnittstelle 30 entkoppelt ist und den Verbrauchern 70 über den Versorgungsausgang 22 elektrische Energie bereitstellt. Das Programm wird schließlich in einem Schritt S70 fortgesetzt, in dem der Speicherschalter 50 angesteuert und in einen Schaltzustand versetzt wird, in dem die Zellbänke 11, 12 des Speichers 10 derart verschaltet werden, dass der Speicher 10 die Traktionsspannung als Betriebsspannung aufweist. Das Programm wird anschließend beendet.
Zusammenfassend wird in den Ausführungsbeispielen die Spannung nur im Ladebetrieb erhöht und die eigentliche Traktionsspannung (Spannung beim Betrieb des Fahrzeugs, bzw. alle anderen Betriebsarten des Fahrzeugs außer DC-Laden) wie in den Beispielen der 1 und 2 auf der Spannung im Bereich von 400-500 V belassen. Zur möglichst Kosten- und Energieeffektiven Umsetzung wird vorgeschlagen den Speicher 10 mittels einer Schaltmatrix nur im Ladebetrieb so umzukonfigurieren, dass im Ladenbetrieb bestimmte Zellbänke in Reihe geschaltet sind, während dieselben Zellbänke in allen anderen Betriebsarten parallel geschaltet werden. Hierdurch ergeben sich eine höhere Ladeeffizienz und niedrigere Kosten, als wenn man die komplette Ladeleistung über einen DC/DC-Konverter von einer höheren Ladespannung auf eine niedrigere Batteriespannung umsetzt (2). Weiterhin kann so der Querschnitt einer Ladeleitung im Vergleich zu dem Beispiel der 1 verringert werden, was sich in einer besseren Handhabung durch Benutzer beim Anstecken des Fahrzeugs an eine Ladestation auszeichnet. Eine Kühlung der Ladeleitung kann unterbleiben.
Dadurch, dass die Traktionsspannung nicht erhöht werden muss ergibt sich gegenüber dem Beispiel der 1 zudem der Vorteil, dass für ein Fahrzeug bzw. für eine Fahrzeugvariante mit höherer Ladeleistung keine neuen Hochvolt-Bauteile entwickelt werden müssen. Zusätzlich ergeben sich technische Vorteile hinsichtlich EMV durch die zusätzliche Isolation bzw. durch die galvanische Trennung des Ladenetzwerkes vom Traktionsnetzwerk. Die leitungsgeführten EMV-Anforderungen beim DC-Laden stellen hohe Ansprüche an HV-Komponenten. Durch die zusätzliche Isolation in diesem Architekturansatz können Filter in Verbrauchern 71, 72, 73 reduziert und damit Kosten gespart werden.
Bezugszeichenliste

1: Energieversorgungssystem
10: Speicher
11, 12: Speichereinheit
20: Versorgungsschnittstelle
21: Versorgungseingang
22: Versorgungsausgang
30: Ladeschnittstelle
40: Versorgungsschalter
50: Speicherschalter
60: Spannungswandler
70: Verbraucher
71: Niederspannungsnetz-Spannungswandler
72: Kältemittelverdichter
73: Durchlauferhitzer
80: Steuereinheit
81: Steuerleitung
S10-S70: Programmschritte

Claims

Elektrisches Energieversorgungssystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend - einen Speicher (10) zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, aufweisend eine Versorgungsschnittstelle (20) mit einem Versorgungseingang (21) zum Laden und einem Versorgungsausgang (22) zum Entladen des Speichers (10), - eine Ladeschnittstelle (30), die zur Kopplung mit einer bezüglich des Fahrzeugs externen Spannungsquelle eingerichtet und mit dem Versorgungseingang (21) gekoppelt ist, und - einen Versorgungsschalter (40), der eingerichtet ist, in einem ersten Schaltzustand den Speicher (10) mit dem Versorgungseingang (21) zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand den Speicher (10) mit dem Versorgungsausgang (22) zu koppeln.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei eine Betriebsspannung des Speichers (10) abhängig von dem Schaltzustand des Versorgungsschalters (40) anpassbar ist.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Speicherschalter (50), wobei - der Speicher (10) wenigstens zwei Speichereinheiten (11, 12) mit einer vorgegebenen Speicherspannung aufweist, durch deren Verschaltung eine Betriebsspannung des Speichers (10) anpassbar ist, und - der Speicherschalter (50) eingerichtet ist, die Speichereinheiten (11, 12) derart zu verschalten, dass in einem ersten Schaltzustand des Speicherschalters (50) die Betriebsspannung des Speichers (10) einer dem Versorgungsausgang (22) zugeordneten vorgegebenen Traktionsspannung entspricht, und in wenigstens einem weiteren Schaltzustand des Speicherschalters (50) die Betriebsspannung des Speichers (10) einer der Ladeschnittstelle (30) zugeordneten vorgegebenen Ladespannung entspricht.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 3, wobei - der Speicher (10) genau zwei Speichereinheiten (11, 12) umfasst, und - der Speicherschalter (50) eingerichtet ist, in dem ersten Schaltzustand des Speicherschalters (50) die Speichereinheiten (11, 12) parallel zu schalten, und in dem wenigstens einen weiteren Schaltzustand des Speicherschalters (50) die Speichereinheiten (11, 12) in Reihe zu schalten.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 oder 4, wobei die Ladespannung größer oder gleich der Traktionsspannung ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei der Speicherschalter (50) und die Speichereinheiten (11, 12) eine Baueinheit bilden.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei der Speicherschalter (50) und die Speichereinheiten (11, 12) jeweils extern zueinander angeordnet sind.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Spannungswandler (60), der eingangsseitig mit der Ladeschnittstelle (30) gekoppelt und ausgangsseitig zur Kopplung mit einem Verbraucher (70, 71, 72, 73) vorgesehen und eingerichtet ist, in dem ersten Schaltzustand des Versorgungsschalters (40) eine der Ladeschnittstelle (30) zugeordnete vorgegebene Ladespannung in eine dem Verbraucher (70, 71, 72, 73) zugeordnete vorgegebene Traktionsspannung zu wandeln.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 8, wobei der Spannungswandler (60) mit dem Versorgungsschalter (40) und/oder dem Speicherschalter (50) eine Baueinheit bildet.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Steuereinheit (80), die eingerichtet ist, den jeweiligen Schaltzustand des Versorgungsschalters (40) und/oder des Speicherschalters (50) abhängig von einer an der Ladeschnittstelle (30) anliegenden Spannung einzustellen.
Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (1) mit einem Speicher (10), einer Versorgungsschnittstelle (20), einer Ladeschnittstelle (30) und einem Versorgungsschalter (40), umfassend die Schritte: (a) Ermitteln einer an der Ladeschnittstelle (30) zur Verfügung stehenden Spannung; (b) Vergleichen der ermittelten Spannung mit wenigstens einem vorgegebenen Ladespannungsbereich; und (c) Ansteuern des Versorgungsschalters (40), wobei der Versorgungsschalter (40) im Falle, dass die ermittelte Spannung in dem wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereich liegt (c1) in einen ersten Schaltzustand versetzt wird, in dem der Speicher (10) mit einem Versorgungseingang (21) der Versorgungsschnittstelle (20) gekoppelt wird, so dass der Speicher (10) über die Ladeschnittstelle (30) mit elektrischer Energie versorgt wird; und der Versorgungsschalter (40) im Falle, dass die ermittelte Spannung außerhalb des wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereichs liegt (c2) in einen zweiten Schaltzustand versetzt wird, in dem der Speicher (10) mit einem Versorgungsausgang (22) der Versorgungsschnittstelle (20) gekoppelt wird, so dass der Speicher (10) von der Ladeschnittstelle (30) entkoppelt ist und über den Versorgungsausgang (22) elektrische Energie bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Energieversorgungssystem (1) ferner einen Speicherschalter (50) aufweist, und das Verfahren ferner umfasst: (d) Ansteuern des Speicherschalters (50), wobei der Speicherschalter (50) im Falle, dass die ermittelte Spannung außerhalb des wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereichs liegt (dl) in einen ersten Schaltzustand versetzt wird, in dem Speichereinheiten (11, 12) des Speichers (10) derart verschaltet werden, dass der Speicher (10) eine vorgegebene Traktionsspannung als Betriebsspannung aufweist; und der Speicherschalter (50) im Falle, dass die ermittelte Spannung in dem wenigstens einen vorgegebenen Ladespannungsbereich liegt (d2) in wenigstens einen weiteren Schaltzustand versetzt wird, in dem die Speichereinheiten (11, 12) des Speichers (10) derart verschaltet werden, dass der Speicher (10) eine vorgegebene Spannung aus dem wenigstens einen Ladespannungsbereich als Betriebsspannung aufweist.
Computerprogramm zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (1), wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.
Computerprogrammprodukt umfassend ausführbaren Programmcode, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 ausführt.