DE102018004623A1

DE102018004623A1 - Verfahren zur Energieversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs und Energieversorgungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018004623A1
Application number: DE102018004623.1A
Authority: DE
Inventors: André Haspel; Urs Böhme
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei das Laden eines ersten Batteriestrangs (B1) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs über einen ersten Ladestrang (7) mittels Wechselstrom, das gleichzeitige Entladen eines zweiten Batteriestrangs (B2) über einen zweiten Ladestrang (8) und das Nutzen eines Entladestroms (12) von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs (B2) zumindest teilweise für das Laden des ersten Batteriestrangs (B1) über den ersten Ladestrang (7) ermöglicht wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine entsprechende Energieversorgungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, einschließlich eines ersten Ladestrangs (7) zum Laden eines ersten Batteriestrangs (B1) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und eines zweiten Ladestrangs (8) zum Laden eines zweiten Batteriestrangs (B2) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Energieversorgungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, einschließlich eines ersten Ladestrangs zum Laden eines ersten Batteriestrangs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und eines zweiten Ladestrangs zum Laden eines zweiten Batteriestrangs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
Der übliche Aufbau eines Bordladers, also einer Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, besteht darin, dass zwischen einem Leistungskorrekturfilter (Power Factor Correction, kurz: PFC) und einem galvanisch isolierenden Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) ein Pufferkondensator angeordnet ist. Aufgabe des Pufferkondensators ist es, während des Wechselstrom-Ladens (AC-Ladens) die AC -Eingangsleistung zu glätten, um so am DC-Ausgang des Bordladers zur Batterie den AC-Anteil, auch AC-Rippel genannt, im Ladestrom unter einem spezifizierten Anteil zu limitieren. Des Weiteren muss auf jeden Fall eine Stromumkehr des Batterieladestroms, das heißt ein kurzzeitiges Entladen aufgrund der Versorgung eines Hochvolt-Bordnetzes des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, während des Ladevorgangs vermieden werden. Der AC-Anteil und die Stromumkehr führen zur Alterung der Batterie. In der vorliegenden Anmeldung wird Gleichstrom mit DC, kurz für direct current, abgekürzt und Wechselstrom wird mit AC, kurz für alternating current, abgekürzt. Weiterhin kann im Folgenden ein DC auch als eine Gleichspannung und ein AC auch als eine Wechselspannung gesehen werden. Aus der DE 10 2016 012 876 A1 ist ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bekannt, umfassend eine elektrische Drehstrommaschine, eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine und zwei Inverter.
Erfindungsgemäß weist die elektrische Drehstrommaschine zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem der Inverter elektrisch gekoppelt sind, die mit unterschiedlichen elektronischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind.
Weiterhin ist aus der DE 10 2016 015 314 A1 ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bekannt, umfassend eine elektrische Drehstrommaschine und eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine. Erfindungsgemäß weist die elektrische Drehstrommaschine zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem Inverter elektrisch gekoppelt sind, wobei die Inverter mit unterschiedlichen elektronischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind und wobei eine Schalteinheit vorgesehen ist, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche der Batterie elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind. Des Weiteren ist aus der Druckschrift auch ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Antriebssystems bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dimensionen des Bordladers in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Nachteil eines konventionellen Aufbaus eines Bordladers, vor allem im einphasigen Ladebetrieb, die Dimensionen des Pufferkondensators oder der Pufferkondensatoren darstellt. Der Pufferkondensator nimmt sehr viel Platz innerhalb der Leistungselektronik ein. Er wird also durch die Anforderungen der Batterie bestimmt. Da in einem Fahrzeug der Bauraum limitiert ist, werden als Pufferkondensatoren Elektrolytkondensatoren verwendet. Diese haben zusätzlich den Nachteil des Ausgasens über die Lebensdauer. Soll ein Bordlader zudem aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugvarianten mit verschiedenen Batterien eingesetzt werden, so ist der kleinste maximale AC-Anteil aller in Betracht kommenden Batterien die bauteildimensionierende Anforderung. Um die Dimensionen des Bordladers zu reduzieren, kann also die Dimension jedes Pufferkondensators, welcher Teil der Leistungselektronik zum Laden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ist, reduziert werden. Erfindungsgemäß geschieht dies durch eine intelligente Verschaltung der Ladestränge, wodurch auf das Verbauen von Pufferkondensatoren im Bordlader verzichtet werden kann.
Die Erfindung ist durch ein Verfahren zur Energieversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren ermöglicht dabei das Laden eines ersten Batteriestrangs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs über einen ersten Ladestrang mittels Wechselstrom, das gleichzeitige Entladen eines zweiten Batteriestrangs über einen zweiten Ladestrang und das Nutzen eines Entladestroms von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs zumindest teilweise für das Laden des ersten Batteriestrangs über den ersten Ladestrom.
Mit anderen Worten ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Energieversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs vorgesehen, eine Batterie mit einem ersten Batteriestrang mittels Wechselstrom (AC) zu laden. Dem ersten Batteriestrang ist dabei ein erster Ladestrang zugeordnet, welcher ausgelegt ist, einen Ladestrom beziehungsweise eine Ladespannung, zum Beispiel von einer fahrzeugexternen Ladestation, an den ersten Batteriestrang zu übertragen. Während der erste Batteriestrang geladen wird, wird gleichzeitig der zweite Batteriestrang entladen. Dem zweiten Batteriestrang ist ein zweiter Ladestrang zugeordnet, welcher ausgelegt ist, einen Entladestrom beziehungsweise eine Entladespannung von dem zweiten Batteriestrang bereitzustellen. Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass der Entladestrom beziehungsweise die Entladespannung von dem zweiten Batteriestrang zumindest teilweise an den ersten Batteriestrang bereitgestellt wird. Das heißt, der erste Batteriestrang kann zumindest teilweise von dem Entladestrom von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs über den ersten Ladestrang geladen werden.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein Pufferkondensator zum Glätten des AC-Ladestroms des ersten Batteriestrangs, vor allem während des einphasigen Ladens, unnötig wird und somit die Dimensionen des Bordladers reduziert werden. Nach den Kirchhoffschen Regeln wird also der Gesamtstrom zum Laden des ersten Batteriestrangs zusammengesetzt aus dem Ladestrom von beispielsweise der fahrzeugexternen Ladestation und dem Entladestrom des zweiten Batteriestrangs. Insgesamt summiert sich also der Entladestrom des zweiten Batteriestrangs zu dem Ladestrom für den ersten Batteriestrang und einer Umkehr des Batteriestrangladestroms, das heißt das Auftreten von negativen Ladeströmen für den ersten Batteriestrang wird vermieden.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das Laden des zweiten Batteriestrangs über den zweiten Ladestrang mittels Wechselstrom, das gleichzeitige Entladen des ersten Batteriestrangs über den ersten Ladestrang und das Nutzen des Entladestroms von dem Entladen des ersten Batteriestrangs zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs über den zweiten Ladestrang.
Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch das Laden des zweiten Batteriestrangs der Batterie mittels Wechselstrom. Dabei ist der zweite Ladestrang ausgelegt, den Ladestrom an den zweiten Batteriestrang zu übertragen. Während der zweite Batteriestrang geladen wird, ist vorgesehen, gleichzeitig den ersten Batteriestrang zu entladen, wobei der erste Ladestrang ausgelegt ist, den Entladestrom von dem ersten Batteriestrang bereitzustellen. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der Entladestrom von dem ersten Batteriestrang zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs über den zweiten Ladestrang genutzt wird.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit einer Batterie mit zwei Batteriesträngen die beiden Batteriestränge ohne kurzzeitige Stromumkehr des Batteriestrangladestroms und somit die Verwendung von Pufferkondensatoren geladen werden können.
Nach den Kirchhoffschen Regeln wird also der Gesamtstrom zum Laden des zweiten Batteriestrangs zusammengesetzt aus dem Ladestrom von beispielsweise einer fahrzeugexternen Ladestation und dem Entladestrom von dem ersten Batteriestrang. Insgesamt summiert sich also der Entladestrom von dem ersten Batteriestrang zu dem Ladestrom für den zweiten Batteriestrang und entsprechend wird eine Stromumkehr des Batteriestrangladestroms, das heißt ein Auftreten von negativen Ladeströmen, vermieden.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht das Versorgen eines Hochvoltbordnetzes des elektrisch betriebenen Fahrzeugs nur durch denjenigen der beiden Batteriestränge vor, der gerade entladen wird.
Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass der Entladestrom desjenigen der beiden Batteriestränge, also des ersten Batteriestrangs oder des zweiten Batteriestrangs, der gerade entladen wird, zusätzlich auch zum Versorgen eines Hochvoltbordnetzes des elektrisch betriebenen Fahrzeugs verwendet wird. Wird also der erste Batteriestrang gerade entladen, wird ein Teil des verfügbaren Batteriestrangstroms des ersten Batteriestrangs als Entladestrom zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs verwendet und ein anderer Teil des verfügbaren Batteriestrangstroms des ersten Batteriestrangs wird als Versorgungsstrom für das Hochvoltbordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs verwendet. Wird hingegen der zweite Batteriestrang gerade entladen, wird ein Teil des verfügbaren Batteriestrangstroms des zweiten Batteriestrangs als Entladestrom für das Laden des ersten Batteriestrangs verwendet und ein anderer Teil des verfügbaren Batteriestrangstroms des zweiten Batteriestrangs wird als Versorgungsstrom für das Hochvoltbordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs verwendet.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch während des Ladens eines der beiden Batteriestränge, also des ersten oder des zweiten Batteriestrangs, die Funktionsfähigkeit des Hochvoltbordnetzes des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ermöglicht wird.
Ein Hochvoltbordnetz ist dabei ein Bordnetz, dessen Spannung über 60 Volt, in der Regel über 100 Volt, zum Beispiel bei 400 Volt liegt. Der Versorgungsstrom für das Hochvoltbordnetz kann dabei auch als Versorgungsspannung gesehen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit zum Beispiel die aktiven Verbraucher des Hochvoltbordnetzes wie beispielsweise der Bordnetzwandler, auch während des Ladens mit Energie versorgt werden.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 abwechselnd hintereinander ausgeführt werden.
Mit anderen Worten wird also zuerst der erste Batteriestrang geladen und gleichzeitig der zweite Batteriestrang entladen, wobei der Entladestrom vom Entladen des zweiten Batteriestrangs zumindest teilweise für das Laden des ersten Batteriestrangs verwendet wird. Anschließend wird der zweite Batteriestrang geladen, während der erste Batteriestrang gleichzeitig entladen wird, wobei der Entladestrom von dem Entladen des ersten Batteriestrangs zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs verwendet wird. Es folgt erneut das Laden des ersten Batteriestrangs und das gleichzeitige Entladen des zweiten Batteriestrangs und umgekehrt. Diese Abfolge der Verfahrensschritte kann so lange hintereinander ausgeführt werden, bis der Ladevorgang beispielsweise abgeschlossen ist, oder der Ladevorgang beispielsweise abgebrochen wird.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die beiden Batteriestränge einer Batterie des elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs abwechselnd geladen werden können, bis beispielsweise die maximale Batteriestrangladekapazität erreicht ist.
Durch die Erfindung ist auch eine Energieversorgungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitgestellt. Die Energieversorgungsvorrichtung umfasst dabei einen ersten Ladestrang zum Laden eines ersten Batteriestrangs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und einen zweiten Ladestrang zum Laden eines zweiten Batteriestrangs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Insbesondere umfasst die Energieversorgungsvorrichtung auch einen ersten Stromrichter, welcher bidirektional ausgeführt ist, als eine Komponente des ersten Ladestrangs, einen zweiten Stromrichter, welcher bidirektional ausgeführt ist, als eine Komponente des zweiten Ladestrangs, eine Steuereinheit zum Schalten des ersten und des zweiten Stromrichters, wobei der erste Stromrichter und der zweite Stromrichter von der Steuereinheit derart schaltbar ist, dass der erste Batteriestrang geladen und gleichzeitig der zweite Batteriestrang entladen wird, wobei die beiden Ladestränge derart verbunden sind, dass ein Entladestrom von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs zumindest teilweise für das Laden des ersten Batteriestrangs genutzt wird.
Mit anderen Worten weist die Energieversorgungsvorrichtung für das elektrisch betriebene Fahrzeug eine Batterie mit einem ersten und einem zweiten Batteriestrang auf. Dem ersten Batteriestrang ist ein erster Ladestrang zugeordnet, welcher zum Laden des ersten Batteriestrangs ausgebildet ist. Dem zweiten Batteriestrang ist ein zweiter Ladestrang zugeordnet, welcher zum Laden des zweiten Batteriestrangs ausgelegt ist. Dabei weist der erste Ladestrang als eine Komponente des ersten Ladestrangs einen ersten Stromrichter auf, wobei der Stromrichter bidirektional ausgeführt ist. Analog weist der zweite Ladestrang als Komponente des zweiten Ladestrangs einen zweiten Stromrichter auf, welcher ebenfalls bidirektional ausgeführt ist. Weiterhin umfasst die Energieversorgungsvorrichtung eine Steuereinheit, welche es ermöglicht, den ersten und den zweiten Stromrichter derart zu schalten, dass der erste Batteriestrang geladen und der zweite Batteriestrang gleichzeitig entladen wird. Erfindungsgemäß sind die beiden Ladestränge, das heißt der erste Ladestrang und der zweite Ladestrang, derart verbunden, dass durch einen Entladestrom von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs zumindest teilweise der erste Batteriestrang geladen wird.
Durch die intelligente Verschaltung der beiden Ladestränge und somit auch der beiden Batteriestränge des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ergibt sich der Vorteil, dass ein Pufferkondensator zum Glätten eines Ladestroms, welcher beispielsweise von einer fahrzeugexternen Ladestation bereitgestellt wird, zum Laden des ersten und/oder des zweiten Batteriestrangs unnötig ist. Dadurch kann die Dimension des Bordladers reduziert werden, wobei nichtsdestotrotz ein kurzzeitiges Entladen des jeweiligen Batteriestrangs während des Ladevorgangs vermieden wird.
Der erste und der zweite Stromrichter können dabei beispielsweise als galvanisch isolierende Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt sein. Ein derartiger DC/DC-Wandler kann beispielsweise als Vollbrückenflusswandler mit Phasenverschiebung (englisch: Phase Shifted Full Bridge Converter), oder als Resonanzwandler, zum Beispiel als LLC-Resonanzwandler, realisiert werden. Als bidirektionaler Stromrichter kann dabei ein Stromrichter, nämlich ein DC/DC-Wandler, verstanden werden, welcher derart geschalten werden kann, dass ein Stromfluss in zwei Richtungen ermöglicht werden kann. Der erste und der zweite Stromrichter können also erfindungsgemäß unabhängig voneinander derart geschalten werden, dass der jeweilige Batteriestrang entweder geladen oder entladen werden kann.
Eine Ausführungsform der Energieversorgungsvorrichtung sieht vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Stromrichter derart zu schalten, dass der erste Batteriestrang entladen wird und gleichzeitig der zweite Batteriestrang geladen wird, wobei die beiden Ladestränge derart verbunden sind, dass ein Entladestrom von dem Entladen des ersten Batteriestrangs zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs genutzt wird.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste und der zweite Stromrichter derart von der Steuereinheit schaltbar sind, dass ein Entladen des ersten Batteriestrangs ermöglicht wird und gleichzeitig ein Laden des zweiten Batteriestrangs ermöglicht wird. Dabei ist der erste Ladestrang mit dem zweiten Ladestrang derart verbunden, dass ein Entladestrom, welcher von dem ersten Batteriestrang bereitgestellt wird, zumindest teilweise zum Laden des zweiten Batteriestrangs bereitgestellt wird.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch in dem zweiten Batteriestrang des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ein Pufferkondensator zum Glätten der Eingangsleistung unnötig ist, wodurch die Dimensionen des Bordladers reduziert werden.
Durch die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5 und nach Anspruch 6 ist eine Vorrichtung beschrieben, welche das Laden einer Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, nämlich einer Batterie mit zumindest zwei Batteriesträngen, zumindest einphasig ermöglicht, wobei ein kurzzeitiges Entladen des jeweils zu ladenden Batteriestrangs während des Ladevorgangs durch eine intelligente Verschaltung der Ladestränge verhindert wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Energieversorgungsvorrichtung weiterhin umfasst einen dritten Ladestrang, welcher mit dem ersten Ladestrang oder mit dem zweiten Ladestrang elektrisch gekoppelt ist, und eine erste Schalteinheit, welche ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Ladestrang in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Ladeart elektrisch zu verbinden oder elektrisch zu trennen.
Mit anderen Worten weist die Energieversorgungsvorrichtung neben dem ersten und dem zweiten Ladestrang auch einen dritten Ladestrang auf, der mit dem ersten oder dem zweiten Ladestrang elektrisch verbunden ist. Weiterhin ist zwischen dem ersten Ladestrang und dem zweiten Ladestrang auch eine erste Schalteinheit vorgesehen, die den ersten Ladestrang mit dem zweiten Ladestrang in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Ladeart elektrisch verbindet, oder den ersten Ladestrang von dem zweiten Ladestrang in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Ladeart elektrisch trennt.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung auch ein dreiphasiges Laden der Batteriestränge des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ermöglicht wird.
Zum dreiphasigen Laden kann der dritte Ladestrang zum Beispiel einen unidirektionalen oder bidirektionalen dritten Stromrichter aufweisen, wobei der dritte Stromrichter zum Beispiel als Vollbrückenflusswandler mit Phasenverschiebung (englisch: Phase Shifted Full Bridge Converter) oder als Resonanzwandler, zum Beispiel als LLC-Resonanzwandler, ausgebildet sein kann. Ist der dritte Ladestrang beispielsweise mit dem zweiten Ladestrang elektrisch verbunden und ist der dritte Stromrichter unidirektional oder bidirektional ausgebildet, kann über den dritten Ladestrang somit ein Laden des zweiten Batteriestrangs erfolgen. Ist hingegen der dritte Ladestrang beispielsweise mit dem ersten Ladestrang elektrisch verbunden und ist der dritte Stromrichter unidirektional oder bidirektional ausgebildet, kann über den dritten Ladestrang somit ein Laden des ersten Batteriestrangs erfolgen Die genannte erste Schalteinheit kann beispielsweise als Halbleiterschalter, als Schaltschütz oder als Relais realisiert werden.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs während des einphasigen Ladens des ersten Batteriestrangs;
3 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs während des einphasigen Ladens des zweiten Batteriestrangs;
4 eine schematische Darstellung des Ladezustands des ersten und des zweiten Batteriestrangs über die Zeit bei abwechselndem Laden und Entladen des ersten und des zweiten Batteriestrangs;
5 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs während des Ladens beider Batteriestränge dreiphasig;
6 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs während des Fahrbetriebs; und
7 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs während eines Ladungsausgleichs von dem zweiten Batteriestrang zu dem ersten Batteriestrang.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteile der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar. In den Fig. bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Energieversorgungsvorrichtung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs eine Batterie mit einem ersten Batteriestrang B1 und einem zweiten Batteriestrang B2, wobei die Batteriestränge zwei elektrochemische Einzelzellen der Batterie darstellen und die Batterie in zwei elektrochemische Teilbereiche beziehungsweise zwei elektrochemische Teilstränge unterteilen. Die beiden Batteriestränge B1 und B2 sind jeweils parallel zu einem Hochvoltbordnetz 10 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs geschalten, sodass die beiden Batteriestränge B1 und B2 das Hochvoltbordnetz 10, zum Beispiel während des Fahrbetriebs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit Energie versorgen können. Das Hochvoltbordnetz 10 kann dabei einen Bordnetzwandler umfassen und kann beispielsweise ausgebildet sein, die Elektromotoren des elektrisch betriebenen Fahrzeugs zu betreiben.
In 1 sind weiterhin zwei Schalter S2 und S4 zwischen das Hochvoltbordnetz 10 und den ersten Batteriestrang B1 geschalten, sodass der erste Batteriestrang B1 mit dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch verbunden oder von dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch getrennt werden kann. Des Weiteren sind zwischen das Hochvoltbordnetz 10 und dem zweiten Batteriestrang B2 die Schalter S6 und S8 geschalten, sodass der zweite Batteriestrang B2 mit dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch verbunden oder von dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch getrennt werden kann. Die genannten Schalter, sowie alle im Folgenden genannten Schalter können dabei beispielsweise als Schaltschütz, als Halbleiterschalter oder als Relais ausgeführt sein.
Zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 und des zweiten Batteriestrangs B2 sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Ladestränge vorgesehen, nämlich ein erster Ladestrang 7, ein zweiter Ladestrang 8 und ein dritter Ladestrang 9. Der erste Ladestrang 7 umfasst dabei neben elektrischen Leiterbahnen noch einen ersten Stromrichter 4, welcher als DC/DC-Wandler ausgebildet sein kann, im Folgenden auch DC/DC-Wandler 1 beziehungsweise DC/DC 1 genannt, und welcher bidirektional ausgeführt ist. Weiterhin ist der erste Ladestrang 7 mit dem ersten Batteriestrang B1 parallel geschalten. Zwischen dem ersten Ladestrang 7 und dem ersten Batteriestrang B1 sind zusätzlich Schalter S1 und S3 vorgesehen, welche ein elektrisches Verbinden des ersten Ladestrangs 7 mit dem ersten Batteriestrang B1 oder ein elektrisches Trennen des ersten Ladestrangs 7 von dem ersten Batteriestrang B1 ermöglichen.
Ähnlich zu dem ersten Ladestrang 7 weist der zweite Ladestrang 8 einen zweiten Stromrichter 5 auf, welcher als DC/DC-Wandler ausgebildet sein kann, im Folgenden auch DC/DC-Wandler 2 beziehungsweise DC/DC 2 genannt, und welcher bidirektional ausgeführt ist. Der zweite Ladestrang 8 ist dabei mit dem zweiten Batteriestrang B2 parallel geschalten. Zwischen dem zweiten Ladestrang 8 und dem zweiten Batteriestrang B2 sind ebenfalls Schalter S5 und S7 vorgesehen, welche ein elektrisches Verbinden des zweiten Ladestrangs 8 mit dem zweiten Batteriestrang B2 oder ein elektrisches Trennen des zweiten Ladestrangs 8 mit dem zweiten Batteriestrang B2 ermöglichen.
Schließlich ist auch ein dritter Ladestrang 9 vorgesehen, wobei der dritte Ladestrang 9 einen dritten Stromrichter aufweist, welcher als DC/DC-Wandler ausgebildet sein kann, im Folgenden auch DC/DC-Wandler 3 beziehungsweise DC/DC 3, genannt, und welcher unidirektional oder bidirektional ausgebildet sein kann. Der dritte Ladestrang 9 ist dabei mit dem zweiten Ladestrang 8 elektrisch gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der dritte Ladestrang 9 auch mit dem ersten Ladestrang 7 elektrisch gekoppelt sein.
Zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 und des zweiten Batteriestrangs B2 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs sind in der 1 auch drei Ladeanschlüsse mit einem ersten Außenleiter L1, einem zweiten Außenleiter L2 und einem dritten Außenleiter L3 sowie einen dem jeweiligen Außenleiter zugeordneten Neutralleiter N dargestellt. Zum einphasigen Laden kann somit beispielsweise das elektrisch betriebene Fahrzeug über den ersten Außenleiter L1 und den zugehörigen Neutralleiter N an eine fahrzeugexterne Ladestation (in 1 nicht dargestellt) elektrisch gekoppelt werden. Wird das elektrisch betriebene Fahrzeug über den ersten Außenleiter L1, den zweiten Außenleiter L2 und den dritten Außenleiter L3 und die jeweiligen zugehörigen Neutralleiter N an eine fahrzeugexterne Ladestation elektrisch gekoppelt, kann in diesem Ausführungsbeispiel auch ein dreiphasiges Laden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ermöglicht werden.
Für ein maximales Nutzen der übertragenen Energie von der Ladestation zu dem elektrisch betriebenen Fahrzeug ist nach jedem elektrischen Anschluss auch ein Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Correction, kurz: PFC) vorgesehen. Somit ist also der erste Ladeanschluss mit dem ersten Leistungsfaktorkorrekturfilter 1 dem ersten Ladestrang 7 zugeordnet, der zweite Ladeanschluss mit dem zweiten Leistungsfaktorkorrekturfilter 2 ist dem zweiten Ladestrang 8 zugeordnet und der dritte Ladeanschluss mit dem dritten Leistungsfaktorkorrekturfilter 3 ist dem dritten Ladestrang 9 zugeordnet.
Um die zwei verschiedenen Ladearten, nämlich das einphasige oder das dreiphasige Laden, zu ermöglichen, ist in 1 auch eine erste Schalteinheit SE1 vorgesehen, welche die Schalter S9 und S10 umfasst. Die erste Schalteinheit SE1 ist derart zwischen den ersten Ladestrang 7 und den zweiten Ladestrang 8 geschalten, dass in Abhängigkeit von der Ladeart ein elektrisches Verbinden des ersten Ladestrangs 7 mit dem zweiten Ladestrang 8, oder ein elektrisches Trennen des ersten Ladestrangs 7 von dem zweiten Ladestrang 8 ermöglicht werden kann. Für alle zuvor genannten und alle im Folgenden genannten Schalter S1 bis S10, sowie die Schalteinheit SE1 gilt ein Öffnen der Schalter bzw. der Schalteinheit als elektrisches Trennen und ein Schließen der Schalter bzw. der Schalteinheit als elektrisches Verbinden.
Mit anderen Worten besteht der Bordlader also aus mindestens zwei Ladesträngen, zum Beispiel drei Ladesträngen, welche im Folgenden auch als Rails bezeichnet werden, ohne Pufferkondensator. Die Batterie besteht aus mindestens zwei Teilsträngen, das heißt zwei Batteriesträngen. Aufgrund der maximalen Stromauslegung verfügt derzeit jeder Batteriestrang über sein eigenes Schaltpaar, auch Schützpaar genannt, das heißt die Schalter, im Folgenden auch Schütze, S2 und S4 und S6 und S8. Da der Bordlader als externes Gerät außerhalb der Batterie ausgeführt ist, sind auch die Schalter beziehungsweise Schütze S1 und S3 sowie S5 und S7 vorhanden, um aus Gründen der Hochvoltsicherheit in der Lage zu sein, die Ladekomponenten bei Bedarf, zum Beispiel im Crashfall oder während Reparaturarbeiten, spannungsfrei zu schalten. Die beiden galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler in den Bordladerphasen beziehungsweise Bordladerrails sind bidirektional auszuführen. Ist der Bordlader als bidirektionaler Lader bereits spezifiziert, so erfüllen die DC/DC-Wandler diese Anforderung bereits. Um eine Energieübertragung von Batteriestrang B2 zu Batteriestrang B1 (oder umgekehrt) zu erreichen, sind zusätzlich die Schalter S9 und S10 und die Verbindungen zwischen DC/DC 1 und DC/DC 2 hinzugefügt. Die Schalter S9 und S10 können beispielsweise als Schütze oder als Halbleiterschalter in Abhängigkeit der Sicherheitsanforderungen ausgeführt sein.
Die Ausgangslage für die im Folgenden genannten Ausführungsbeispiele ist in diesem Abschnitt kurz dargestellt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass während des AC-Ladens ein Pufferkondensator zwischen der PFC und dem DC/DC-Wandler benötigt wird, um negative Ströme , das heißt eine Stromumkehr während des Ladevorgangs, verursacht durch eine Versorgung des Hochvolt-Bordnetzes durch die Batterie, zu vermeiden. Zudem wird durch die gespeicherte Energie im Pufferkondensator ausgangsseitig am DC/DC-Wandler der AC-Rippel klein gehalten. Mit AC-Rippel sind dabei verbleibende periodische Schwingungen eines in DC gewandelten AC-Stroms gemeint. Beides ist notwendig, da dies ansonsten die Batterie schnell altern lässt. Die Stromumkehr gilt auch nach jetzigem Kenntnisstand als wichtigeres Kriterium. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung kann der Einbau eines Pufferkondensators vermieden werden. Durch die Erfindung wird während des AC-Ladens von dem ersten Batteriestrang B1 ein kleiner Strom aus dem zweiten Batteriestrang B2 an den ersten Batteriestrang B1 übertragen, sodass der erste Batteriestrang B1 garantiert keine Stromumkehr während des Ladevorgangs erfährt. Der zweite Batteriestrang B2 der Batterie versorgt zudem das Hochvoltbordnetz 10 und wird somit während des Ladevorgangs von dem ersten Batteriestrang B1 langsam etwas entladen. Nach einer gewissen Ladedauer von dem ersten Batteriestrang B1 wird anschließend der zweite Batteriestrang B2 geladen.
In 2 ist die Energieversorgungsvorrichtung während des einphasigen Ladens des ersten Batteriestrangs B1 dargestellt. Zum einphasigen Laden des ersten Batteriestrangs B1 ist eine fahrzeugexterne Wechselstromladestation (in 2 nicht dargestellt) über den ersten Außenleiter L1 und den zugehörigen Neutraleiter N mit dem elektrisch betriebenen Fahrzeug gekoppelt. Die Schalter S1 und S3 sind geschlossen und ein AC-Ladestrom beziehungsweise eine AC-Ladespannung aus der AC-Ladevorrichtung kann zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 verwendet werden. Die Schalter S2 und S4 sind geöffnet, um dem ersten Batteriestrang B1 von dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch zu trennen. Weiterhin ist der isolierende bidirektionale erste Stromrichter 4 derart geschalten, dass der AC-Ladestrom aus der Ladestation zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 verwendet werden kann.
Zum Verbinden des ersten Ladestrangs mit dem zweiten Ladestrang sind die Schalter S9 und S10 geschlossen. Weiterhin sind auch die Schalter S5 und S7 geschlossen, sodass der zweite Ladestrang mit dem zweiten Batteriestrang B2 elektrisch verbunden ist. Der zweite isolierende bidirektionale Stromrichter 5 ist derart geschalten, dass der zweite Batteriestrang B2 entladen wird, wobei ein Entladestrom beziehungsweise eine Entladespannung 12 von dem zweiten Batteriestrang B2 über den ersten Ladestrang an den ersten Batteriestrang B1 übertragen wird. Um das Hochvoltbordnetz 10 auch während des Ladevorgangs des ersten Batteriestrangs B1 mit Energie zu versorgen, sind die Schalter S6 und S8 geschlossen, um den zweiten Batteriestrang B2 mit dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch zu verbinden. Das Hochvoltbordnetz 10 wird also von dem zweiten Batteriestrang B2 mit einem Versorgungsstrom beziehungsweise einer Versorgungsspannung 13 versorgt.
Mit anderen Worten ist in 2 das Laden des ersten Batteriestrangs B1 einphasig über den ersten Außenleiter L1 dargestellt. Dazu sind die Schalter S2 und S4 geöffnet und die Schalter S1, S3 und S5 bis 10 geschlossen. Der erste Batteriestrang B1 ist über die Schalter S1 und S3 mit DC/DC 1 und dem ersten Leistungskorrekturfilter 1 mit dem Außenleiter L1 verbunden. Darüber wird der erste Batteriestrang B1 geladen, wobei der Ladestrom einen AC-Rippel (ungefähr 100 Hz bis 120 Hz) aufgrund der AC-Versorgung durch die Ladesäule aufweist. Dieser Ladestrom hat sein Minimum bei 0 A (100 % AC-Rippel). Aufgrund von Bauteilverlusten könnte der Ladestrom allerdings auch kurzzeitig minimal negativ ausfallen, was einen Vorzeichenwechsel beziehungsweise eine Stromumkehr des Ladestroms des ersten Batteriestrangs B1 nach sich ziehen würde. Um einen Vorzeichenwechsel des Ladestroms für den ersten Batteriestrang B1 zu vermeiden, speist der zweite Batteriestrang B2 über den DC/DC 2 und den DC/DC 1 den ersten Batteriestrang B1 und hebt somit den Summenstrom des ersten Batteriestrangs B1 auf einen Wert an, der garantiert immer einen positiven Ladestrom für den ersten Batteriestrang B1 darstellt. Der Strom für den ersten Batteriestrang B1 erfährt somit keinen Vorzeichenwechsel. Dieser Kompensationsstrom kann ein konstanter DC-Strom sein oder ein AC-Strom oder eine Kombination aus beiden. Der zweite Batteriestrang B2 versorgt zudem während des Ladevorgangs von dem ersten Batteriestrang B1 die aktiven Verbraucher des Hochvoltbordnetzes, zum Beispiel den Bordnetzwandler.
Zusammengefasst bedeutet dies, dass, während der erste Batteriestrang B1 aus der Ladestation, zum Beispiel Ladesäule oder Haustechnik, geladen wird, zum Beispiel mit 3,7 kW, wird der zweite Batteriestrang B2 geringfügig entladen aufgrund der Versorgung des Hochvoltbordnetzes und der Stromumkehrvermeidung bei dem ersten Batteriestrang.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs während des einphasigen Ladens des zweiten Batteriestrangs B2. Analog zu 2 ist das elektrisch betriebene Fahrzeug über den ersten Außenleiter L1 und den zugehörigen Neutralleiter N mit einer fahrzeugexternen Ladestation (in 3 nicht dargestellt) zum einphasigen Laden des zweiten Batteriestrangs B2 gekoppelt. Die Schalter S9 und S10 sind dazu geschlossen und der isolierende bidirektionale zweite Stromrichter 5 ist derart geschalten, dass ein Ladestrom beziehungsweise eine Ladespannung aus der Ladestation zum Laden des zweiten Batteriestrangs B2 verwendet werden kann. Die Schalter S6 und S8 sind geöffnet, sodass der zweite Batteriestrang B2 von dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch getrennt ist. Gleichzeitig sind die Schalter S1 und S3 geschlossen, sodass der erste Batteriestrang B1 mit dem ersten Ladestrang elektrisch verbunden ist und der isolierende bidirektionale erste Stromrichter 4 ist derart geschalten, dass der erste Batteriestrang B1 entladen wird. Der Entladestrom beziehungsweise die Entladespannung 12 von dem ersten Batteriestrang B1 kann dann zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs B2 verwendet werden und der gesamte Ladestrom für den zweiten Batteriestrang B2 ergibt sich aus dem Ladestrom aus der Ladestation und dem Entladestrom des ersten Batteriestrangs B1. Weiterhin sind auch die Schalter S2 und S4 geschlossen, sodass der erste Batteriestrang B1 mit dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch verbunden ist. Dadurch kann der erste Batteriestrang B1 einen Versorgungsstrom beziehungsweise eine Versorgungsspannung 13 für das Hochvoltbordnetz 10 bereitstellen.
Mit anderen Worten ist in 3 also das Laden des zweiten Batteriestrangs B2 einphasig über den zweiten Außenleiter L2 dargestellt. Dabei sind die Schalter S6 und S8 geöffnet und die Schalter S1 bis S5, S7, S9 und S10 geschlossen. Der zweite Batteriestrang B2 ist über die Schalter S5 und S7 mit dem DC/DC 2 über den ersten Leistungskorrekturfilter 1 mit dem ersten Außenleiter L1 verbunden. Darüber wird der zweite Batteriestrang B2 geladen, wobei der Ladestrom einen AC-Rippel (100 Hertz/120 Hertz) aufgrund der AC-Versorgung durch die fahrzeugexterne Ladestation (zum Beispiel Ladesäule/Haustechnik) aufweist. Dieser Ladestrom hat sein Minimum bei 0 A (100 % AC-Rippel). Aufgrund von Bauteilverlusten kann er allerdings auch kurzzeitig minimal negativ ausfallen, was einem Vorzeichenwechsel des Ladestroms für den zweiten Batteriestrang B2 beziehungsweise eine Stromumkehr in dem zweiten Batteriestrang B2 nach sich ziehen könnte. Um einen Vorzeichenwechsel des Ladestroms für den zweiten Batteriestrang B2 zu vermeiden, speist der erste Batteriestrang B1 über den DC/DC 1 und den DC/DC 2 den zweiten Batteriestrang B2 und hebt somit den Summenstrom des zweiten Batteriestrangs B2 auf einen Wert an, der garantiert immer einen positiven Ladestrom für den zweiten Batteriestrang B2 darstellt. Der Strom für den zweiten Batteriestrang B2 erfährt somit keinen Vorzeichenwechsel. Dieser Kompensationsstrom kann ein konstanter DC-Strom sein oder ein AC-Strom oder eine Kombination aus beiden. Der erste Batteriestrang B1 versorgt zudem während des Ladevorgangs von dem zweiten Batteriestrang B2 die aktiven Verbraucher des Hochvoltbordnetzes, zum Beispiel den Bordnetzwandler.
Zusammengefasst wird also der zweite Batteriestrang B2 aus der Ladesäule/Haustechnik geladen, zum Beispiel mit 3,7 kW, während der erste Batteriestrang B1 geringfügig entladen wird aufgrund der Versorgung des Hochvoltbordnetzes 100 und der Stromumkehrvermeidung bei dem zweiten Batteriestrang B2.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Ladezustands des ersten und des zweiten Batteriestrangs über die Zeit bei abwechselndem Entladen und Entladen des ersten und des zweiten Batteriestrangs B1 und B2. In 4 ist auf der x-Achse die Zeit dargestellt und auf der y-Achse der Ladezustand des jeweiligen Batteriestrangs. Der Ladezustand des ersten Batteriestrangs 46 ist dabei als durchgezogene Linie dargestellt und der Ladezustand des zweiten Batteriestrangs 45 ist als gestrichelte Linie dargestellt.
In dem Ausführungsbeispiel in 4 erfolgt zuerst das Laden des ersten Batteriestrangs 41 und gleichzeitig das Entladen des zweiten Batteriestrangs 44. Hat der erste Batteriestrang B1 einen vorgegebenen Ladezustand erreicht oder hat der Ladevorgang eine gewisse Ladezeit erreicht, verfolgt nach einem ersten Umschaltzeitpunkt T1 das Entladen des ersten Batteriestrangs 42 und gleichzeitig das Laden des zweiten Batteriestrangs 43. Bei einem vorgegebenen Ladezustand des zweiten Batteriestrangs B2 oder nach einer vorgegebenen Ladedauer kann dann erneut umgeschaltet werden und nach einem zweiten Umschaltzeitpunkt T2 wird erneut der erste Batteriestrang B1 geladen und der zweite Batteriestrang B2 entladen. Das Umschalten zwischen Laden und Entladen des jeweiligen Batteriestrangs kann dabei so lange erfolgen, bis beide Batteriestränge vollgeladen sind oder der Ladevorgang abgebrochen wird. Die Umschaltzeitpunkte T3 und T4 markieren dabei einen dritten beziehungsweise einen vierten Umschaltzeitpunkt, bei dem zwischen dem Laden und dem Entladen des jeweiligen Batteriestrangs umgeschaltet wird.
Mit anderen Worten ist in 4 ein Verfahren zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 und des zweiten Batteriestrangs B2 dargestellt. Dabei wird zunächst mit dem Laden eines Batteriestrangs begonnen, zum Beispiel des ersten Batteriestrangs, wie in dem Ausführungsbeispiel zu 2 beschrieben. Nach einer gewissen Ladedauer wird über die Schalter S6 und S8 das Hochvoltbordnetz von den Batteriesträngen getrennt. Anschließend werden die Schalter S2 und S4 geschlossen und es folgt das Laden des zweiten Batteriestrangs B2, wie in dem Ausführungsbeispiel zu 3 beschrieben. Der zeitliche Verlauf des Ladezustands (State of Charge, kurz: SOC) ist in 4 dargestellt. Dabei kann die Wahl des Umschaltzeitpunktes nach verschiedenen Kriterien getroffen werden, wie zum Beispiel einen maximal einzuhaltenden Ladezustandsunterschied beider Batteriestränge, einen minimalen Wechsel von Umschaltvorgängen, das heißt einen Wechsel von dem Laden von dem ersten Batteriestrang B1 auf den zweiten Batteriestrang B2 und umgekehrt, und so weiter.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung während des Ladens beider Batteriestränge dreiphasig. In diesem Ausführungsbeispiel ist das elektrisch betriebene Fahrzeug über alle drei Anschlüsse mit dem ersten Außenleiter L1, dem zweiten Außenleiter L2 und dem dritten Außenleiter L3 und dem jeweilig zugehörigen Neutralleiter N mit einer fahrzeugexternen Ladestation (in 5 nicht dargestellt) zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 und des zweiten Batteriestrangs B2 elektrisch gekoppelt. Die Schalter S9 und S10 sind dabei geöffnet, das heißt der erste Ladestrang 7 und der zweite Ladestrang 8 sind elektrisch getrennt. Gleichzeitig sind die Schalter S1, S3, S5 und S7 geschlossen, sodass der erste Ladestrang 7 mit dem ersten Batteriestrang B1 elektrisch verbunden ist und der zweite Ladestrang 8 mit dem zweiten Batteriestrang B2 elektrisch verbunden ist. Zusätzlich ist der isolierende bidirektionale erste Stromrichter 4 derart geschalten, dass ein Ladestrom aus der Ladestation über den ersten Außenleiter 11 (1) von der Ladestation zu dem ersten Batteriestrang B1 gelangt, sodass der erste Batteriestrang B1 geladen wird. Der isolierende bidirektionale zweite Stromrichter 5 ist ebenfalls derart geschalten, dass ein Ladestrom aus der Ladestation über den zweiten Außenleiter 11 (2) zu dem zweiten Batteriestrang B2 gelangt, sodass der zweite Batteriestrang B2 geladen wird.
Zusätzlich ist der dritte Ladestrang 9 in dem Ausführungsbeispiel in 5 mit dem zweiten Ladestrang 8 elektrisch gekoppelt., Dadurch kann auch der Ladestrom aus der Ladestation über den dritten Außenleiter 11 (3) und den isolierenden unidirektionalen oder bidirektional dritten Stromrichter 6 zu dem zweiten Batteriestrang B2 gelangen, sodass der zweite Batteriestrang B2 geladen wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der dritte Ladestrang 9 auch mit dem ersten Ladestrang 7 elektrisch gekoppelt sein, wobei der Ladestrom aus der Ladestation dann über den dritten Außenleiter 11 (3) und den isolierenden unidirektionalen oder bidirektional dritten Stromrichter 6 zu dem ersten Batteriestrang B1 gelangen kann, sodass der erste Batteriestrang B1 geladen wird.
In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind außerdem die Schalter S2, S4, S6 und S8 geschlossen. Dadurch ist der erste Batteriestrang B1 mit dem Hochvoltbordnetz 10 verbunden und der zweite Batteriestrang B2 ebenfalls mit dem Hochvoltbordnetz 10 verbunden. Während des dreiphasigen Ladens des ersten und des zweiten Batteriestrangs B1 und B2 versorgen also beide Batteriestränge B1 und B2 das Hochvoltbordnetz mit einem Versorgungsstrom 13.
Mit anderen Worten ist in 5 das Laden von dem ersten und dem zweiten Batteriestrang B1 und B2 dreiphasig über den ersten, den zweiten und den dritten Außenleiter L1 bis L3 dargestellt. Dabei sind die Schalter S9 und S10 offen und die Schalter S1 bis S8 geschlossen. Durch das Öffnen der Schalter S9 und S10 sind die beiden Batteriestränge B1 und B2 parallel geschalten. Alle Außenleiter L1, L2 und L3, das heißt alle Ladephasen, sind aktiv und versorgen beide Batteriestränge B1 und B2 mit gleicher Leistung. Die speisende Leistung über die drei Phasen ist zeitlich konstant. Daher ist auch keine Speicherung von Energie für einen Rippelausgleich notwendig.
In 6 ist die Energieversorgungsvorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs während des Fahrbetriebs schematisch dargestellt. Dabei sind die Schalter S1, S3, S5, S7, S9 und S10 geöffnet, sodass die beiden Ladestränge 7 und 8 elektrisch voneinander getrennt sind. Außerdem ist der erste Ladestrang 7 von dem ersten Batteriestrang B1 elektrisch getrennt und der zweite Ladestrang 8 und der dritte Ladestrang 9 von dem zweiten Batteriestrang B2 elektrisch getrennt. Die Schalter S2, S4, S6 und S8 sind geschlossen, sodass der erste Batteriestrang B1 und der zweite Batteriestrang B2 das Hochvoltbordnetz mit einem Versorgungsstrom beziehungsweise einer Versorgungsspannung 13 versorgen können.
Mit anderen Worten ist in 6 die Verschaltung der Energieversorgungsvorrichtung während des Fahrbetriebs des elektrisch betriebenen Fahrzeugs dargestellt. Dabei sind die Schalter S1, S3, S5, S7, S9 und S10 geöffnet und die Schalter S2, S4, S6 und S8 geschlossen. Der erste Batteriestrang B1 ist über die Schalter S2 und S4 mit dem Hochvoltbordnetz 100 verbunden und speist somit das Hochvoltbordnetz 100. Der zweite Batteriestrang B2 ist über die Schalter S6 und S8 mit dem Hochvoltbordnetz 100 verbunden und speist somit ebenfalls das Hochvoltbordnetz. Folglich sind beide Batteriestränge parallel zueinander geschalten.
7 zeigt eine schematische Darstellung der Energieversorgungsvorrichtung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs während eines Ladungsausgleichs von dem ersten Batteriestrang zu dem zweiten Batteriestrang. Wie in 7 gezeigt, kann also auch ein Ladungsausgleich vom Batteriestrang B1 zum Batteriestrang B2 (und umgekehrt) erfolgen. Dabei sind die Schalteinheiten S6 und S8 geöffnet, sodass der zweite Batteriestrang B2 von dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch getrennt ist. Zudem sind die Schalter S5 und S7 geschlossen, sodass der zweite Ladestrang S8 mit dem zweiten Batteriestrang B2 elektrisch verbunden ist. Weiterhin ist der isolierende bidirektionale zweite Stromrichter 5 derart geschalten, dass der zweite Batteriestrang B2 geladen werden kann. Aufgrund der geschlossenen Schalter S9 und S10 ist der zweite Batteriestrang B2 mit dem ersten Batteriestrang B1 elektrisch verbunden. Dabei sind die Schalter S1 und S3 geschlossen, sodass der erste Ladestrang 7 mit dem ersten Batteriestrang B1 elektrisch verbunden ist und der isolierende bidirektionale erste Stromrichter 4 ist derart geschalten, dass ein Entladen des ersten Batteriestrangs B1 ermöglicht wird und ein Entladestrom beziehungsweise eine Entladespannung 12 von dem ersten Batteriestrang B1 kann über den ersten Ladestrang 7 an den zweiten Batteriestrang B2 übertragen werden. Schließlich sind auch die Schalter S2 und S4 geschlossen, sodass der erste Batteriestrang B1 mit dem Hochvoltbordnetz 10 elektrisch verbunden ist. Entsprechend kann also der erste Batteriestrang B1 das Hochvoltbordnetz 10 mit einem Versorgungsstrom beziehungsweise einer Versorgungsspannung 13 versorgen.
Mit anderen Worten zeigt die 7 also einen Ladungsausgleich, das heißt ein Batteriebalancing, bzw. ein Umladen von Batteriestrang B1 auf Batteriestrang B2. Dabei sind die Schalter S6 und S8 geöffnet und die Schalter S1 bis S5, S7, S9 und S10 geschlossen. Der erste Batteriestrang B1 versorgt das Hochvoltbordnetz 10 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Der zweite Batteriestrang B2 ist über die geöffneten Schalter S6 und S8 von dem Hochvoltbordnetz 10 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs getrennt. Die Leistungsentnahme am Hochvoltbordnetz 100 ist somit auf die Leistung von dem ersten Batteriestrang B1 begrenzt, abzüglich der Umladeleistung von dem ersten Batteriestrang B1 auf den zweiten Batteriestrang B2. Die Umladung erfolgt von dem ersten Batteriestrang B1 über den DC/DC 1, den DC/DC 2 zu dem zweiten Batteriestrang B2. Die Schalter S9 und S10 sind dazu geschlossen. Die Umladeleistung ist dabei auf die Leistungsfähigkeit der beiden DC/DC-Wandler begrenzt (zum Beispiel 3,7 Kilowatt maximal). Das Umladen von dem zweiten Batteriestrang B2 auf den ersten Batteriestrang B1 kann dazu fast identisch erfolgen. Hierbei sind die Schalter S6 und S8 geschlossen und die Schütze S2 und S4 geöffnet. Ein Umladen von dem ersten Batteriestrang B1 auf den zweiten Batteriestrang B2 und umgekehrt ist auch ohne Versorgung des Hochvoltbordnetzes 10 möglich, das heißt auch ohne Versorgung eines aktiven Verbrauchers wie beispielsweise dem Bordnetzwandler.
Auch ein Ladungsausgleich von dem zweiten Batteriestrang B2 auf den ersten Batteriestrang B1 ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Dabei sind die Schalter S2 und S4 geöffnet und die Schalter S1, S3 und S5 bis S10 geschlossen. Weiterhin ist der erste Stromrichter 4 zum Laden des ersten Batteriestrangs B1 geschalten und der zweite Stromrichter 5 zum Entladen des zweiten Batteriestrangs B2 geschalten. Gleichzeitig versorgt der zweite Batteriestrang B2 noch das Hochvolt-Bordnetz, das heißt z.B den Bordnetzwandler.
Insgesamt zeigen also die Ausführungsbeispiele, wie durch die Erfindung Pufferkondensatoren im Bordlader eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs bei einer Batterie mit zumindest zwei Teilsträngen vermieden werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Erster Leistungsfaktorkorrekturfilter
2: Zweiter Leistungsfaktorkorrekturfilter
3: Dritter Leistungsfaktorkorrekturfilter
4: Erster Stromrichter
5: Zweiter Stromrichter
6: Dritter Stromrichter
7: Erster Ladestrang
8: Zweiter Ladestrang
9: Dritter Ladestrang
10: Hochvolt-Bordnetz
11: Ladestrom/Ladespannung aus Ladestation
11(1): Ladestrom/Ladespannung aus Ladestation über ersten Außenleiter
11(2): Ladestrom/Ladespannung aus Ladestation über zweiten Außenleiter
11(3): Ladestrom/Ladespannung aus Ladestation über dritten Außenleiter
12: Entladestrom/Entladespannung
13: Versorgungsstrom/Versorgungsspannung
41: Laden des ersten Batteriestrangs
42: Entladen des ersten Batteriestrangs
43: Laden des zweiten Batteriestrangs
44: Entladen des zweiten Batteriestrangs
45: Ladezustand des ersten Batteriestrangs
46: Ladezustand des zweiten Batteriestrangs
B1: Erster Batteriestrang
B2: Zweiter Batteriestrang
L1: Erster Außenleiter
L2: Zweiter Außenleiter
L3: Dritter Außenleiter
N: Neutralleiter
S1: Schalter
S2: Schalter
S3: Schalter
S4: Schalter
S5: Schalter
S6: Schalter
S7: Schalter
S8: Schalter
S9: Schalter
S10: Schalter
SE1: Erste Schalteinheit
T1: Erster Umschaltzeitpunkt
T2: Zweiter Umschaltzeitpunkt
T3: Dritter Umschaltzeitpunkt
T4: Vierter Umschaltzeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016012876 A1 [0002]
DE 102016015314 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Energieversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, gekennzeichnet durch - Laden eines ersten Batteriestrangs (B1) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs über einen ersten Ladestrang (7) mittels Wechselstrom, - gleichzeitiges Entladen eines zweiten Batteriestrangs (B2) über einen zweiten Ladestrang (8), und - Nutzen eines Entladestroms (12) von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs (B2) zumindest teilweise für das Laden des ersten Batteriestrangs (B1) über den ersten Ladestrang (7).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - Laden des zweiten Batteriestrangs (B2) über den zweiten Ladestrang (8) mittels Wechselstrom, - gleichzeitiges Entladen des ersten Batteriestrangs (B1) über den ersten Ladestrang (7), und - Nutzen des Entladestroms (12) von dem Entladen des ersten Batteriestrangs (B1) zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs (B2) über den zweiten Ladestrang (8).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch - Versorgen eines Hochvolt-Bordnetzes (10) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs nur durch denjenigen der beiden Batteriestränge (B1, B2), der gerade entladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 abwechselnd hintereinander ausgeführt werden.
Energieversorgungsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeugs, einschließlich - eines ersten Ladestrangs (7) zum Laden eines ersten Batteriestrangs (B1) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, und - eines zweiten Ladestrangs (8) zum Laden eines zweiten Batteriestrangs (B2) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, gekennzeichnet durch - einen ersten Stromrichter (4), welcher bidirektional ausgeführt ist, als eine Komponente des ersten Ladestrangs (7), - einen zweiten Stromrichter (5), welcher bidirektional ausgeführt ist, als eine Komponente des zweiten Ladestrangs (8), - eine Steuereinheit zum Schalten des ersten und des zweiten Stromrichters (4, 5), wobei - der erste Stromrichter (4) und der zweite Stromrichter (5) von der Steuereinheit derart schaltbar sind, dass der erste Batteriestrang (B1) geladen und gleichzeitig der zweite Batteriestrang (B2) entladen wird, wobei - die beiden Ladestränge (7, 8) derart verbunden sind, dass ein Entladestrom (12) von dem Entladen des zweiten Batteriestrangs (B2) zumindest teilweise für das Laden des ersten Batteriestrangs (B1) genutzt wird.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, - die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Stromrichter (4, 5) derart zu schalten, dass der erste Batteriestrang (B1) entladen wird und gleichzeitig der zweite Batteriestrang (B2) geladen wird, wobei - die beiden Ladestränge (7, 8) derart verbunden sind, dass ein Entladestrom (12) von dem Entladen des ersten Batteriestrangs (B1) zumindest teilweise für das Laden des zweiten Batteriestrangs (B2) genutzt wird.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch - einen dritten Ladestrang (9), welcher mit dem ersten Ladestrang (7) oder mit zweiten Ladestrang (8) elektrisch gekoppelt ist, und - eine erste Schalteinheit (SE1), welche ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Ladestrang (7, 8) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Ladeart elektrisch zu verbinden oder elektrisch zu trennen.