DE102018004109A1

DE102018004109A1 - Batterie zum reversiblen elektrochemischen Speichern von elektrischer Ladung

Info

Publication number: DE102018004109A1
Application number: DE102018004109.4A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; André Haspel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (10) zum reversiblen elektrochemischen Speichern von elektrischer Ladung, mit einem ersten und einem zweiten Batterieanschluss (16, 18), mit einer Mehrzahl von galvanischen Zellen (14), die mit dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss (16, 18) elektrisch gekoppelt sind, um zwischen dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss (16, 18) eine Batteriespannung (26) bereitzustellen, sowie mit einer Schalteinheit (28) zum elektrischen Koppeln der galvanischen Zellen (14) mit den Batterieanschlüssen (16, 18) abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit (28), wobei die Schalteinheit (28) einen getakteten Energiewandler (30) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie zum reversiblen elektrochemischen Speichern von elektrischer Ladung, mit einem ersten und einem zweiten Batterieanschluss, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen zum Speichern der elektrischen Ladung, wobei die Batteriezellen mit dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss elektrisch gekoppelt sind, um zwischen dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss eine Batteriespannung bereitzustellen, sowie mit einer Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der Batteriezellen mit den Batterieanschlüssen abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit.
Batterien sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Eine Batterie der gattungsgemäßen Art dient in der Regel dazu, elektrische Energie reversibel zu speichern. Eine solche Batterie wird auch als Akkumulator bezeichnet. Zum Zweck des reversiblen Energiespeicherns umfasst die Batterie üblicherweise mehrere Batteriezellen in Form von galvanischen Zellen, die elektrische Energie chemisch zu speichern vermögen. Zu diesem Zweck weist eine jeweilige der Batteriezellen 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 Volt bis 4,5 Volt, abhängig von der Zellchemie.
Batterien der gattungsgemäßen Art sollen jedoch häufig hohe Gleichspannungen 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 vorgesehen sein. Solche Batterien werden häufig in Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Gerade bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel zumindest ein Bordnetz vorgesehen, welches für eine Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet ist. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.
Hieraus ergeben sich besondere Anforderungen an die Batterie, insbesondere aus konstruktiver Sicht und aus Sicht der elektrischen Sicherheit, die bei derartigen Batterien, auch Hochvoltbatterien genannt, zu beachten sind. So ist es beispielsweise vorgeschrieben, dass die Batterie eine Schalteinheit umfasst, mittels der die Batteriezellen zumindest einpolig von den Batterieanschlüssen getrennt werden können. Zu diesem Zweck ist in der Regel eine elektromechanische Schalteinheit vorgesehen, beispielsweise nach Art eines Schützes.
Elektromechanische Schalteinheiten sowie auch Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik ebenfalls umfänglich bekannt, sodass es auch hier eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises nicht bedarf. Elektromechanische Schalteinheiten, auch Schalter oder Schaltgeräte genannt, dienen insbesondere dazu, zwischen wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen eine reversibel lösbar elektrisch leitfähige Verbindung herzustellen. In diesem Zusammenhang umfasst die elektromechanische Schalteinheit zumindest zwei Kontakteinheiten, wobei jede der Kontakteinheiten jeweils wenigstens ein an dem Kontaktträger der Kontakteinheit angeordnetes Kontaktelement aufweist. Der Kontaktträger einer jeweiligen der Kontakteinheiten und das zugehörige Kontaktelement können auch einstückig ausgebildet sein.
In einem eingeschalteten Zustand sind die Kontaktelemente der wenigstens zwei Kontakteinheiten miteinander mechanisch verbunden beziehungsweise sie berühren sich, sodass ein elektrischer Kontakt hergestellt ist. Auf diese Weise wird die elektrisch leitfähige Verbindung im eingeschalteten Zustand realisiert. Im ausgeschalteten Zustand sind die wenigstens zwei Kontaktelemente dagegen voneinander entfernt angeordnet beziehungsweise positioniert, sodass die elektrisch leitfähige Verbindung unterbrochen ist. Die elektromechanische Schalteinrichtung kann auf diese Weise unterschiedlichste Schaltfunktionen realisieren, so zum Beispiel eine Schließerfunktion, eine Öffnerfunktion, eine Umschaltfunktion, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen.
Elektromechanische Schalteinheiten können dem Grunde nach manuell betätigt sein. Überwiegend sind sie jedoch mittels einer Antriebseinheit, vorzugsweise automatisiert, betätigbar. Die Antriebseinheit kann zu diesem Zweck einen Aktuator aufweisen, der zum Beispiel mittels eines Hubmagneten als elektromechanischem Antrieb, einem pneumatischen Antrieb, einem hydraulischen Antrieb, Kombinationen hiervon oder dergleichen angetrieben sein kann. Besonders häufig werden elektromechanische Schalteinheiten mittels einer Antriebseinheit betätigt, die einen Hubmagneten nutzt, der beispielsweise mittels eines durch eine elektrische Spule erzeugten Magnetfeldes verfahren werden kann. Der Hubmagnet ist mit einem Betätigungsstab zum Betätigen von wenigstens einem der Kontaktelemente gekoppelt beziehungsweise einstückig mit diesem ausgebildet. Zu diesem Zweck kann die Spule schaltzustandsgemäß mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Derartige elektromechanische Schalteinheiten sind vielfach im Einsatz und werden je nach Anwendung als Relais, als Schütz oder dergleichen bezeichnet.
Elektromechanische Schalteinheiten, insbesondere Kontakteinheiten sowie auch Kontaktelemente sind durch die Normung erfasst, so zum Beispiel durch die DIN/EN 61058-1, IEC 60947-1 und/oder dergleichen. Elektromechanische Schalteinheiten finden häufig auch Einsatz bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dergleichen. Derart batteriebetriebene Kraftfahrzeuge unterliegen besonderen Anforderungen, wie sie beispielsweise durch die Norm ECE R 100 für batteriebetriebene Kraftfahrzeuge angegeben sind. Es ist hier vorgesehen, dass wiederaufladbare Energiespeichersysteme, nämlich Batterien, wie sie unter anderem bei den vorgenannten Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, geschützt werden müssen. Zu diesem Zweck sind geeignete Schutzvorrichtungen vorzusehen, die Schalteinheiten nach Art von beispielsweise mechanischen Sicherungen, Schutzschaltern, Hauptschütze und/oder dergleichen umfassen können.
Auch wenn sich dies bewährt hat, verbleiben dennoch Probleme. Elektromechanische Schalteinheiten sind aufwendig und erweisen sich störanfällig. Es ist daher auch bekannt, anstelle der elektromechanischen Schalteinrichtung eine elektronische Schalteinrichtung bei einer Schalteinheit zu nutzen, bei der Halbleiterschalter zum Einsatz kommen. Dadurch kann eine verbesserte Schalteinheit erreicht werden.
Gleichwohl besteht weiterer Verbesserungsbedarf.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Batterie zu verbessern.
Als Lösung wird mit der Erfindung eine Batterie nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Batterie wird insbesondere vorgeschlagen, die Schalteinheit einen getakteten Energiewandler aufweist.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass dadurch, dass die Schalteinheit den getakteten Energiewandler umfasst, elektromechanische Schalteinheiten beziehungsweise Schalteinrichtungen, wie sie eingangs beschrieben sind, eingespart werden können. Zugleich ermöglicht es die Erfindung durch den getakteten Energiewandler der Schalteinheit, die Batterie an zum Beispiel das Bordnetz des Kraftfahrzeugs in geeigneter Weise hinsichtlich der elektrischen Spannung anpassen zu können. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass es häufig erforderlich ist, die von der Batterie bereitgestellte Batteriespannung an eine Betriebsspannung eines Bordnetzes, insbesondere des Kraftfahrzeugs, anzupassen. Zu diesem Zweck umfasst das Bordnetz in der Regel einen Energiewandler, der üblicherweise als DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Diese Energiewandlungsfunktionalität kann nun zugleich auch durch die Schalteinheit der Erfindung realisiert werden, sodass der übliche Energiewandler des Bordnetzes eingespart werden kann.
Je nach Bedarf ist es dabei möglich, die Batterie in unterschiedlichen Betriebsmodi betreiben zu können. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass in einem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, in dem die Batterie als Energiequelle dient, mittels des Energiewandlers ein Tiefsetzstellen realisiert wird, um zum Beispiel die Batteriespannung, die beispielsweise etwa 800 V betragen kann, auf eine Betriebsgleichspannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs zu wandeln, die zum Beispiel etwa 450 V betragen kann. In einem Lademodus der Batterie kann dagegen vorgesehen sein, dass die Ladespannung für die Batterie eine Bemessungsspannung von etwa 800 V beträgt. Dadurch ist es möglich, den Ladevorgang für die Batterie deutlich zu verkürzen. Aber auch andere Konstellationen können hierdurch realisiert werden. Insgesamt erlaubt es die Integration eines getakteten Energiewandlers in die Schalteinheit der Batterie, nicht nur die gewünschten Sicherheitsfunktionen zu realisieren, sondern auch zugleich eine Energiewandlung in einstellbarer Weise bereitstellen zu können. Dabei kann mit dem getakteten Energiewandler erreicht werden, dass nicht nur Ausgangsklemmen der Batterie vorzugsweise allpolig von den Batteriezellen der Batterie elektrisch trennbar sind, sondern es kann darüber hinaus vorzugsweise auch eine Vorladefunktionalität erreicht werden, nämlich dann, wenn das Bordnetz des Kraftfahrzeugs an die Batterie angeschlossen werden soll. Häufig umfasst das Bordnetz zumindest einen Kondensator, der mit der Bordnetzspannung im bestimmungsgemäßen Betrieb beaufschlagt ist. Wird das Bordnetz an die Batterie angeschlossen, kann der Kondensator entladen sein, sodass beim Einschalten der Batterie ein hoher Einschaltstrom die Folge sein kann. Mit der Vorladefunktionalität kann dies reduziert oder sogar vermieden werden.
Durch den Einsatz des getakteten Energiewandlers können darüber hinaus auch Nachteile behoben werden, die sich durch den bestimmungsgemäßen Betrieb von Schützen als Schalteinheit ergeben können, beispielsweise ein so genanntes Schützkleben, bei dem die Kontaktelemente des Schützes im bestimmungsgemäßen Betrieb, und zwar im eingeschalteten Schaltzustand, miteinander verklebt sind. Wird ein Schütz in diesem Zustand in den ausgeschalteten Zustand versetzt, kann der Fall eintreten, dass die Kontaktelemente aneinander kleben bleiben und die gewünschte Unterbrechungsfunktion nicht realisiert wird. Aus diesem Grund kann ein Schütz auch mittels Halbleiterschaltelementen realisiert sein, bei denen ein derartiges Problem nicht auftritt. Der getaktete Energiewandler erlaubt es, die Halbleiterschaltelemente nicht nur für die vorgesehene Schaltfunktion der Schalteinheit zu nutzen, sondern es können darüber hinaus auch Schmelzsicherungen eingespart werden, die aufgrund der starken Streuungen unterliegenden Auslösekriterien und Ausfallmechanismen ungünstig sind.
Der getakteten Energiewandler kann beispielsweise ein Hochsetzsteller (Booster) oder auch ein Tiefsetzsteller (Buck), eine Kombination hiervon und/oder dergleichen sein. Sofern der getaktete Energiewandler zwei Hochvoltspannungen unterschiedlicher Höhe miteinander koppeln soll, ist es erforderlich, dass bei Auftreten eines Isolationsfehlers eine Überlastung einer elektrischen Isolation in dem Hochvolt-System mit der kleineren elektrischen Spannung vermieden werden kann. Hierfür können zum Beispiel galvanisch trennende Energiewandler eingesetzt werden.
Darüber hinaus sind jedoch auch galvanisch gekoppelte Energiewandler im Einsatz, die über eine Korrekturfunktionalität in Bezug auf die einzelnen elektrischen Potentiale elektrische Spannungen bereitzustellen vermögen.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, die im Stand der Technik üblichen Schütze als Schalteinheit durch einen getakteten Energiewandler zu ersetzen, der die Schutzfunktion eines entsprechenden Schützes zu übernehmen vermag und zugleich eine Energiewandlungsfunktion realisieren kann.
Besonders vorteilhaft erweist sich hierfür ein galvanisch gekoppelter Energiewandler zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes, welches durch die Batterie bereitgestellt ist, mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz, welches zum Beispiel kraftfahrzeugseitig bereitgestellt sein kann. Vorzugsweise weist ein derartiger Energiewandler eine erste Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltelementen und einer Diode auf, die zwischen den Halbleiterschaltelementen der Reihenschaltung angeschlossen ist, wobei die Reihenschaltung zum Anschließen an die Batteriezellen der Batterie ausgebildet ist, wobei die Reihenschaltung zwei Verbindungsstellen von einem jeweiligen der Halbleiterschaltelemente mit der Diode aufweist, wobei eine jeweilige der Verbindungsstellen mittels einer jeweiligen elektrischen Induktivität an vorzugsweise das Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Diese Ausgestaltung basiert auf dem Gedanken, dass durch die zwei Induktivitäten in Verbindung mit der Reihenschaltung aus den zwei Halbleiterschaltelementen und der Diode eine galvanische Kopplung zwischen den Batteriezellen der Batterie und dem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs realisiert werden kann. Aufgrund der Art der Kopplung können besondere Sicherheitsanforderungen realisiert werden, mittels denen insbesondere die vorgenannten Probleme hinsichtlich der elektrischen Sicherheit gelöst werden können. Es ist also mit dieser Ausgestaltung möglich, die Batteriezellen der Batterie und das Bordnetz des Kraftfahrzeugs galvanisch gekoppelt miteinander elektrisch zu verbinden und zugleich eine hohe Zuverlässigkeit und elektrische Sicherheit zu gewährleisten.
Mit dieser Ausgestaltung ist es nämlich möglich, für die bei einer galvanischen Kopplung aufgrund der unterschiedlichen Gleichspannungen der Batterie und des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs in der Regel entstehende Asymmetrie in Bezug auf das elektrische Bezugspotential einen Ausgleich zu schaffen. Dies kann durch das Zusammenwirken der Halbleiterschaltelemente und der Diode mit den Induktivitäten erreicht werden, sodass mittels eines derartigen Energiewandlers die elektrischen Potentiale des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs nahezu schwimmend gegenüber den elektrischen Potentialen der Batterie eingestellt werden können. Dadurch ist es möglich, einen Ausgleich in Bezug auf das Bezugspotential zwischen den elektrischen Potentialen der Batterie und des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs realisieren zu können. Besonders vorteilhaft wirkt sich dies bei Maßnahmen zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere einer Funkenstörung aus. Die Erfindung eignet sich deshalb insbesondere auch für den Einsatz bei Bordnetzen, deren Gleichspannung von dem Bezugspotential elektrisch isoliert ist, beispielsweise IT-Netze oder dergleichen.
Darüber hinaus erlaubt es eine derartige Ausgestaltung mit einem galvanisch gekoppelten Energiewandler, dass bei Auftreten einer Störung in dem Bordnetz oder auch in der Batterie mittels eines solchen Energiewandlers eine Entkopplung beziehungsweise Deaktivierung der elektrischen Kopplung erreicht werden kann, sodass die Störung nicht von der Batterie auf das Bordnetz oder umgekehrt einwirken kann. Dadurch kann insbesondere die elektrische Sicherheit, besonders der Schutz von Personen, verbessert werden. Darüber hinaus kann mit einem derartigen Energiewandler auch erreicht werden, dass lediglich mit einem einzigen Isolationswächter die elektrische Isolation sowohl der Batterie als auch des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs überwacht werden kann.
Ein solcher Energiewandler erlaubt es darüber hinaus, dass keines der elektrischen Potentiale der Batterie und des Bordnetzes gemeinsam gewählt sein müssen. Vielmehr erlaubt es die Erfindung aufgrund der Schaltungsstruktur, die elektrischen Potentiale der Batterie von den elektrischen Potentialen des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs elektrisch zu entkoppeln. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsstruktur kann in einer einzigen Wandlerstufe des getakteten Energiewandlers eine entsprechende Anpassung erreicht werden.
Besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz des Energiewandlers in der Schalteinheit dann, wenn die Reihenschaltung an die Batterie beziehungsweise die Batteriezellen der Batterie angeschlossen ist und wenn die durch die Batterie bereitgestellte Gleichspannung größer als die Gleichspannung des Bordnetzes ist. So kann eine Energiewandlung vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs zu den Batteriezellen realisiert werden, indem der Energiewandler eine Hochsetzstellfunktion realisiert. Umgekehrt ist ein Energiefluss möglich, indem der Energiewandler eine Tiefsetzstellfunktion realisiert. Vorzugsweise ist eine bidirektionale Energiekopplung realisiert.
Mit der erfindungsgemäßen Schalteinheit, die vorzugsweise lediglich den getakteten Energiewandler umfasst, ist es somit möglich, eine Symmetrierung der elektrischen Potentiale der Gleichspannungen der Batterie und des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs in Bezug auf das elektrische Bezugspotential zu erreichen. Das elektrische Bezugspotential kann zum Beispiel eine Kraftfahrzeugmasse oder dergleichen sein.
Weiterhin kann mit der Erfindung erreicht werden, dass die Batterie und das Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit einem einzigen Isolationswächter überwacht werden können. Ausgleichsströme auf Potentialleitungen sowie auch auf Schirmungen können reduziert wenn nicht sogar weitgehend vermieden werden. Zugleich ist eine Erhöhung der Sicherheit des Berührschutzes möglich, indem eine ungenügende Verbindung einer Potentialausgleichsleitung beziehungsweise einer Schirmung keine gefährliche elektrische Spannung mehr an einem Wandlergehäuse des Energiewandlers zu erzeugen vermag. Dies gilt auch, wenn das Wandlergehäuse zugleich auch das Batteriegehäuse ist. Der getaktete Energiewandler gemäß der Erfindung kann somit zugleich auch ermöglichen, dass ein Isolationsfehler, der in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs auftritt, auf das Bordnetz beschränkt bleiben kann. Das gleiche gilt im Übrigen auch für die Batterie. Darüber hinaus können die elektrischen Potentiale mittels des Energiewandlers derart angepasst werden, dass auch bei einem Isolationsfehler die Batterie beziehungsweise das Bordnetz des Kraftfahrzeugs weiter betrieben werden können, ohne dass die Gefahr einer Überlastung der jeweiligen anderen Isolation in Kauf genommen zu werden braucht. Zugleich erlaubt es der Energiewandler, die gewünschte Schutzfunktion, die ansonsten mittels des Schützes realisiert werden müsste, zu realisieren.
Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, die Batterie, insbesondere in Bezug auf die Schalteinheit weiter zu verbessern.
Die Erfindung ermöglicht es, mit wesentlich weniger Bauteilen als ein bei der separaten Ausführung der Schützfunktion und einem separaten Energiewandler realisieren zu können. Dadurch können Kosten, Bauraum und auch Gewicht eingespart werden. Zugleich können Vorteile erhalten bleiben, die auch mittels Halbleiterschützen erreicht werden können. Elektromechanische Schütze, Vorladeschaltungen und Sicherungen können vollständig eingespart werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.
Dabei zeigen:

1 In einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Hochvoltbatterie mit einem elektronischen Schütz;
2 In einer schematischen Schaltbilddarstellung ein galvanisch gekoppelter getakteter Energiewandler;
3 In einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Hochvoltbatterie wie in 1 jedoch mit einem Energiewandler gemäß 2 als elektronisches Schütz;
4 In einer schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug mit zwei Hochvoltbordnetzen und einer Hochvoltbatterie gemäß 3;
5 In einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 3 eine zweite Ausgestaltung einer Hochvoltbatterie;
6 In einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 3 eine dritte Ausgestaltung einer Hochvoltbatterie;
7 In einer schematischen Diagrammdarstellung einen Spannungsverlauf eines positiven Batteriepotentials abhängig von einem Isolationsfehler;
8 In einer schematischen Diagrammdarstellung einen Spannungsverlauf eines positiven Batteriepotentials abhängig von dem Isolationsfehler;
9 In einer schematischen Diagrammdarstellung einen Spannungsverlauf eines positiven Bordnetzpotentials abhängig von dem Isolationsfehler; und 10 In einer schematischen Diagrammdarstellung einen Spannungsverlauf eines negativen Bordnetzpotentials abhängig von dem Isolationsfehler.

1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Hochvoltbatterie 10 zum reversiblen elektrochemischen Speichern von elektrischer Ladung mittels einer Mehrzahl von lediglich summarisch dargestellten Batteriezellen 14. Die Batterie 10 ist vorliegend als Hochvoltbatterie ausgebildet, und zwar in der vorliegenden Darstellung als Lithium-Ion-Batterie. Dem Grunde nach können hier natürlich auch andere Batterietypen, beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie oder dergleichen vorgesehen sein. Die Batteriezellen 14 sind lediglich schematisch durch einen Kasten mit dem Bezugszeichen 14 dargestellt. Mittels der Batteriezellen 14 wird eine Hochvoltgleichspannung von etwa 800 V bereitgestellt. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch eine andere Gleichspannung bereitgestellt sein. Die Hochvoltbatterie 10 umfasst ferner ein Batteriegehäuse 12, in welchem die Batteriezellen 14 angeordnet sind.
Die Hochvoltbatterie 10 umfasst ferner einen ersten Batterieanschluss 16 und einen zweiten Batterieanschluss 18, die am Batteriegehäuse 12 angeordnet sind und zwischen denen eine Batteriespannung, nämlich die Batteriespannung von etwa 800 V, bereitgestellt ist. Der erste Batterieanschluss 16 stellt ein positives Potential der Batteriespannung bereit, wohingegen der zweite Batterieanschluss 18 ein negatives elektrisches Potential bereitstellt.
An die Batterieanschlüsse 16, 18 ist schematisch dargestellt ein Hochvoltbordnetz 20 eines Kraftfahrzeugs 46 (4) angeschlossen, welches schematisiert durch einen Kondensator 22 und einen elektrischen Widerstand 24 summarisch dargestellt ist. Der elektrische Widerstand 24 umfasst entsprechende elektrische Verbraucher. Der Kondensator 22 umfasst zum Beispiel einen nicht weiter bezeichneten Zwischenkreiskondensator. Zwischen dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss 16, 18 wird die Batteriespannung 26 bereitgestellt.
Die Batterie 10 umfasst ferner eine in dem Batteriegehäuse 12 angeordnete Schalteinheit 28 zum elektrischen Koppeln der galvanischen Zellen 14 mit den Batterieanschlüssen 16, 18, abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit 28. Die Schalteinheit 28 ist vorliegend als Halbleiterschütz ausgebildet und umfasst die elektronischen Bauteile T1 - T3, D1, D2 sowie C1 bis C3. Die Bauteile T1 - T3 bilden Halbleiterschaltelemente und sind vorliegend durch Transistoren, und zwar Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistoren (MOSFET) gebildet. In alternativen Ausgestaltungen können hier natürlich auch bipolare Transistoren oder dergleichen zum Einsatz kommen. Mit den MOSFET T1 bis T3 können die gewünschten Schaltfunktionen der Schalteinheit 28 nach Art des Halbleiterschützes realisiert werden. Die Funktionen des Halbleiterschützes sind dem Grunde nach bekannt, weshalb von diesbezüglichen weiteren Ausführungen vorliegend abgesehen wird.
Bei der Schalteinheit 28, die durch das elektronische Schütz gebildet ist, werden die Transistoren T1, T2, T3 in einem Schaltbetrieb betrieben. Der Schaltbetrieb des Transistors bedeutet, dass im eingeschalteten Zustand, das heißt, während einer Einschaltzeit, zwischen den Anschlüssen des Transistors, zwischen denen die jeweilige Schaltstrecke ausgebildet ist, ein sehr kleiner elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei einer sehr kleinen, insbesondere vernachlässigbaren elektrischen Spannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand, das heißt, während einer Ausschaltzeit, ist die Schaltstrecke des Transistors dagegen hochohmig, was bedeutet, dass sie einen großen elektrischen Widerstand bereitstellt, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei einem Schaltbetrieb in der Regel nicht zum Einsatz kommt. Der Schaltbetrieb sieht nämlich vorzugsweise ausschließlich den Einschaltzustand und den Ausschaltzustand vor. Bei einem Linearbetrieb werden dagegen auch Zwischenzustände eingenommen.
Die Transistoren T1, T2, T3 sind für einen jeweiligen Betriebszustand, nämlich dem ausgeschalteten oder dem eingeschalteten Betriebszustand, über einen entsprechend langen Zeitraum eingeschaltet beziehungsweise ausgeschaltet. Im eingeschalteten Zustand kann elektrische Energie von den galvanischen Zellen 14 in das Bordnetz 20 geführt werden. Ein Taktbetrieb der Transistoren T1, T2, T3 ist hierbei nicht vorgesehen.
Soll die Energieversorgung durch die galvanischen Zellen 14 unterbrochen werden, werden die Transistoren T1 und/oder T3 in den ausgeschalteten Schaltzustand versetzt. Der Transistor T2 stellt eine weitere Sicherungsoption zum Unterbrechen des Stromflusses dar. Die Kondensatoren C1, C2, C3 sowie 22 dienen insbesondere in Verbindung mit den Dioden D1, D2 dazu, ein sicheres Überführen der Transistoren T1, T2, T3 von einem der Schaltzustände in den jeweiligen anderen der Schaltzustände zu gewährleisten. Darüber hinaus kann der Kondensator 22 auch einen Zwischenkreiskondensator für das Bordnetz 20 umfassen.
2 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen einstufig galvanisch gekoppelten Energiewandler 30, der ausgebildet ist, eine Symmetrierung für einen Potentialausgleich von elektrischen Potentialen von an den Energiewandler 30 angeschlossenen elektrischen Spannungen, hier Gleichspannungen, zu ermöglichen. Der Energiewandler 30 weist zwei Anschlüsse HV₁₊ und HV_1- auf, die an die galvanischen Zellen 14 angeschlossen sind (3). Darüber hinaus sind Ausgangsanschlüsse HV₂₊ sowie HV_2- vorgesehen, die an die Anschlüsse 16, 18 der Batterie gemäß 3 anschließbar sind. An den HV-Anschlüssen sind jeweilige Kondensatoren 34, 38 angeschlossen. Über nicht weiter bezeichnete Y-Kondensatoren mit jeweiligen Isolationswiderständen sind die entsprechenden jeweiligen HV-Anschlüsse mit dem Batteriegehäuse 12 elektrisch gekoppelt.
Am Kondensator 34 ist eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltelementen 32, 36, die vorliegend durch Transistoren, und zwar durch MOSFET, gebildet sind, sowie eine Diode D3 angeschlossen, wobei die Reihenschaltung parallel an den Kondensator 34 angeschlossen ist. An jeweiligen Verbindungsstellen von einem jeweiligen der Transistoren 32, 36 mit der Diode D3 sind jeweilige elektrische Induktivitäten 38, 40 angeschlossen, die jeweilige Anschlüsse des Kondensators 22 koppeln. Durch diesen spezifischen Energiewandler 30 ist es möglich, eine Tiefsetzstellfunktionalität bereitzustellen und zugleich die Funktionalität der Schalteinheit 28 zu realisieren. 3 zeigt den Energiewandler 30 gemäß 2, wie er als Schalteinheit 28 in einer Batterie 50 angeordnet ist und neben der Energiewandlungsfunktion auch die Schaltfunktionalität der Schalteinheit 28 gemäß 1 bereitstellt. Die Kondensatoren C1, C2 gemäß 3 entsprechen dem Kondensator 34 in 2. Entsprechend korrespondieren die Dioden D1, D2 gemäß 3 der Diode D3 in 2. Der Kondensator 22 entspricht dem Kondensator 22 gemäß 2.
An die Anschlüsse 16, 18 ist exemplarisch durch einen Widerstand 24 dargestellt die Verbraucher, die an das Hochvoltbordnetz 20 angeschlossen sind und durch die Batterie 50 mit elektrischer Energie versorgt werden.
Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass der Transistor T2 und zusätzlich noch eine optionale elektromechanische Schalteinheit 44 vorgesehen sind. Im Unterschied zur Schalteinheit 28 gemäß 1 ist bei der Schalteinheit 28 gemäß 3 vorgesehen, dass der Kondensator 22 über die Induktivitäten 36, 40 an die Transistoren 32, 36 angeschlossen ist. Durch einen geeigneten Taktbetrieb der Transistoren 32, 36 kann eine Tiefsetzstellfunktionalität erreicht werden. Bei den Induktivitäten 36, 40 handelt es sich nicht um Leitungsinduktivitäten des Bordnetzes, sondern vielmehr um induktive Bauteile. Abhängig von einem Taktbetrieb mit einer vorgebbaren Taktfrequenz kann dann die Tiefsetzstellfunktionalität realisiert werden.
Der elektrische Widerstand 42 dient als Entladewiderstand, wenn die Batteriezellen 14 mittels der Transistoren 32, 36 beziehungsweise T2 oder dem elektromechanischen Schaltelement 44 vom Rest des Bordnetzes 20 getrennt sind. Dadurch soll bezüglich des Bordnetzes 20 eine Entladefunktionalität bereitgestellt werden, sodass die elektrische Sicherheit hergestellt beziehungsweise verbessert werden kann.
Die Transistoren 32, 36 sind bezüglich der Dimensionierung sowie auf eine Strombeanspruchung für die Funktionalität der Schalteinheit 28 gemäß 1 auszulegen, als auch für die Funktionalität des Energiewandlers 30. Der Transistor T2 ist entweder permanent ein- oder ausgeschaltet, weshalb seine Dimensionierung entsprechend 1 ausgeführt sein kann. Um aus Sicherheitsvorgaben bezüglich Hochvolt eine galvanische Trennung, beispielsweise über eine Luftstrecke zu ermöglichen, ist das elektromechanische Schaltelement 44 vorgesehen, welches entweder im positiven Potential oder auch im negativen Potential angeordnet sein kann.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug 46 mit zwei Bordnetzen, nämlich einem 400 V-Bordnetz 20 sowie einem weiteren 800 V-Bordnetz 68. Das Bordnetz 20 ist an die elektrischen Anschlüsse 16, 18, wie in den vorhergehenden Fig. dargestellt, angeschlossen. Die Batterie 50 umfasst ferner zwei weitere Batterieanschlüsse 70, 72, die über jeweilige elektromechanische Schaltelemente 48, 52 eines nicht weiter bezeichneten Schützes unmittelbar an die Batteriezellen 14 angeschlossen sind. Die Batteriezellen 14 stellen eine Gleichspannung von etwa 800 V bereit.
Elektrische Verbraucher des Bordnetzes 68 sind summarisch mittels des elektrischen Widerstands 54 in 4 dargestellt. Mittels der Batterie 50 kann somit eine Energieversorgung sowohl für das Bordnetz 68 als auch für das Bordnetz 20 realisiert werden, obwohl mittels der Batteriezellen 14 nur eine einzige elektrische Spannung, nämlich eine elektrische Spannung, die der Betriebsspannung des Bordnetzes 68 entspricht, bereitgestellt wird. Mittels des Energiewandlers 30 kann jedoch unter gleichzeitiger Bereitstellung der Schaltfunktionalität der Schalteinheit 28 eine Energiewandlungsfunktionalität nach Art eines Tiefsetzstellers bereitgestellt werden, sodass zugleich auch eine Energieversorgung des Bordnetzes 20 realisiert werden kann. Die 5 und 6 zeigen Varianten der Batterie 50 gemäß 3, nämlich in 5 eine Batterie 56 und in 6 eine Batterie 58. Die Batterien 56, 58 unterscheiden sich von der Batterie 50 gemäß 3 dadurch, dass sie entweder lediglich nur die Induktivität 36 ( 5) oder nur die Induktivität 40 (6) umfassen. Die hierdurch erreichte Vereinfachung des Energiewandlers kann zum Einsatz kommen, wenn eine Bemessungsspannung in Bezug auf Kriech- und Luftstrecken innerhalb der jeweiligen der Batterien 56, 58 identisch oder kleiner als eine Bemessungsspannung des Bordnetzes 20 ist, sodass ein galvanisch gekoppelter Energiewandler wie der Energiewandler 30 keine Korrekturfunktionalität bei einem Isolationsfehler benötigt. Dadurch kann eine der Induktivitäten 38, 40 des Energiewandlers 30 entfallen. Es ist daher nur notwendig, einen jeweiligen der Transistoren 32, 36 für die Spannungswandlungsfunktion taktend zu betreiben. Der jeweilige andere der Transistoren 32, 36 braucht dann nur für die Schaltfunktionalität der Schalteinheit ausgelegt zu sein und nicht taktend betrieben zu werden.
Die 7 bis 10 zeigen in schematischen Spannungs-Zeit-Diagrammen die Auswirkung eines Isolationsfehler bei der Batterie 50 gemäß 3. Die Ordinaten der Diagramme der 7 bis 10 sind jeweils der elektrischen Spannung in Volt zugeordnet. Die Abszissen der Diagramme sind der Zeit zugeordnet. Zum Zeitpunkt t₁ tritt der Isolationsfehler bei dem positiven Hochvoltpotential der Batteriezellen 14 auf. Im Diagramm gemäß 7 ist mit einem Graphen 60 das positive Hochvoltpotential der Batteriezellen 14 dargestellt. 8 zeigt mit einem Graphen 62 das negative Hochvoltpotential der Batteriezellen 14. 9 zeigt mit einem Graphen 64 das elektrische Potential am Batterieanschluss 16, wohingegen 10 mit einem Graphen 66 das elektrische Potential am Batterieanschluss 18 darstellt.
Aus den Fig. ist zu erkennen, dass bis zum Zeitpunkt t₁ eine elektrische Spannung zwischen dem positiven Hochvoltpotential der Batteriezellen 14 etwa 400 V beträgt, wie dies anhand des Graphen 60 erkannt werden kann. Der Graph 62 zeigt in dem Diagramm der 8, dass das entsprechende negative Hochvoltpotential der Batteriezellen 14 bis zum Zeitpunkt t₁ etwa -400 V beträgt. Die Spannungen werden gegenüber dem Bezugspotential, hier der Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs 46 gemessen, welches zugleich auch elektrisch mit dem Batteriegehäuse 12 gekoppelt ist.
Entsprechend betragen die elektrischen Spannungen gegenüber dem Bezugspotential an den Batterieanschlüssen 16, 18 jeweils 200 V beziehungsweise -200 V gemäß der Graphen 64, 66 in den Diagrammen der 9 und 10.
Zum Zeitpunkt t₁ tritt der Isolationsfehler ein, weshalb die elektrische Spannung gemäß dem Graphen 60 in 7 zu diesem Zeitpunkt auf etwa null V springt. Diese Spannung wird kontinuierlich beibehalten. Entsprechend sinkt die elektrische Spannung zum Bezugspotential gemäß dem Graphen 62 im Diagramm der 8 von -400 V auf -800 V.
Die elektrische Spannung zum Bezugspotential am Batterieanschluss 16 springt gemäß dem Graphen 64 im Diagramm der 9 von 200 V auf etwa null V zum Zeitpunkt t₁ . Entsprechend springt die elektrische Spannung zum Bezugspotential am Batterieanschluss 18 von etwa -200 V auf etwa -400 V. Zu erkennen ist, dass trotz des Isolationsfehlers die Spannungsbeaufschlagung der Isolation des Bordnetzes 20 400 V nicht übersteigt. Da die Bemessungsspannung für das Bordnetz 20 400 V beträgt, sind die Kriech- und Luftstrecken sowie auch die elektrische Isolation für die Bemessungsspannung von 400 V ausgelegt. Durch den Isolationsfehler kann trotz galvanisch gekoppelten Energiewandlers 30 somit eine Überlastung der elektrischen Isolation des Bordnetzes 20 zuverlässig vermieden werden.
Die Erfindung ermöglicht es, deutlich weniger Bauteile als bei getrennter Ausführung der Schalteinheit und einem separaten Energiewandler zu realisieren. Dadurch können Kosten, Bauraum und Gewicht eingespart werden. Zugleich ermöglicht es die Erfindung, die Vorteile, die durch Halbleiterschütze realisiert sind, beibehalten zu können. Elektromechanische Schütze können ebenso wie Sicherungen vermieden werden. Zugleich kann eine Vorladefunktionalität realisiert werden. Ferner können die Vorteile eines galvanisch gekoppelten Energiewandlers mit Symmetrierung des Potentialausgleichs realisiert werden. Eine Potentialanpassung zum Einhalten einer Spannungsbeanspruchung des Bordnetzes gegenüber dem Bezugspotential kann somit realisiert werden.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
Bezugszeichenliste

10: Batterie
12: Batteriegehäuse
14: Batteriezellen
16: Batterieanschluss
18: Batterieanschluss
20: Bordnetz
22: Kondensator
24: Verbraucher
26: Bordnetzspannung
28: Schalteinheit
30: Energiewandler
32: Transistor
34: Kondensator
36: Transistor
38: Induktivität
40: Induktivität
42: elektrischer Widerstand
44: elektromechanisches Schaltelement
46: Kraftfahrzeug
48: elektromechanisches Schaltelement
50: Batterie
52: elektromechanisches Schaltelement
54: Verbraucher
56: Batterie
58: Batterie
60: Graph
62: Graph
64: Graph
66: Graph
68: Bordnetz
70: Batterieanschluss
72: Batterieanschluss
C1: Kondensator
C2: Kondensator
C3: Kondensator
D1: Diode
D2: Diode
D3: Diode
HV₁₊: positives Hochvoltpotential
HV_1-: negatives Hochvoltpotential
HV₂₊: positives Hochvoltpotential
HV_2-: negatives Hochvoltpotential
T1: Transistor
T2: Transistor
T3: Transistor
t₁: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN/EN 61058-1 [0009]
IEC 60947-1 [0009]
Norm ECE R 100 [0009]

Claims

Batterie (10) zum reversiblen elektrochemischen Speichern von elektrischer Ladung, mit einem ersten und einem zweiten Batterieanschluss (16, 18), mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (14) zum Speichern der elektrischen Ladung, wobei die Batteriezellen mit dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss (16, 18) elektrisch gekoppelt sind, um zwischen dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss (16, 18) eine Batteriespannung (26) bereitzustellen, sowie mit einer Schalteinheit (28) zum elektrischen Koppeln der Batteriezellen (14) mit den Batterieanschlüssen (16, 18) abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (28) einen getakteten Energiewandler (30) aufweist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (30) ausgebildet ist, in einem ausgeschalteten Schaltzustand die Batteriezellen (14) von den Batterieanschlüssen (16, 18) elektrisch zu trennen.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (30) galvanisch gekoppelt ausgebildet ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (30) eine Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen (32, 36) aufweist, zwischen denen eine Diode (D3) geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung an die Batteriezellen (14) angeschlossen ist, wobei die Reihenschaltung zwei Verbindungsstellen von einem jeweiligen der Schaltelemente (32, 36) mit der Diode (D3) aufweist, an denen die jeweiligen Schaltelemente (32, 36) elektrisch mit der Diode (D3) gekoppelt sind, wobei eine jeweilige der Verbindungsstellen mittels einer jeweiligen elektrischen Induktivität (38, 40) an einen jeweiligen der Batterieanschlüsse (16, 18) angeschlossen ist.
Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Induktivitäten (38, 40) den gleichen Induktivitätswert aufweisen.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (30) ausgebildet ist, elektrische Potentiale (HV₁₊, HV_1-, HV₂₊, HV_2-) der Batteriezellen (14) und einer elektrischen Gleichspannung (26) zwischen den Batterieanschlüssen (16, 18) symmetrisch in Bezug auf ein gemeinsames Bezugspotential (12) einzustellen
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (30) als Tiefsetzsteller ausgebildet ist.