DE102018009485A1

DE102018009485A1 - Fahrzeugbatterie sowie Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einer Fahzeugbatterie

Info

Publication number: DE102018009485A1
Application number: DE102018009485.6A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; Andreas Eichinger; André Haspel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie (10), mit einem ersten und einem zweiten Batterieanschluss (16, 18), mit Batteriezellen (14), die elektrisch miteinander verbunden sind und ein erstes und ein zweites elektrisches Batteriepotential (12, 20) einer Batteriespannung (22) bereitstellen, und mit einem Schaltelement (24) zum Koppeln des ersten Batteriepotentials (20) mit dem ersten Batterieanschluss (18), zu welchem Zweck das Schaltelement (24) genau zwei Schaltelementanschlüsse (26, 28) aufweist, von denen ein erster am ersten Batteriepotential (20) und ein zweiter unmittelbar am ersten Batterieanschluss (18) angeschlossen ist, und mit einem Halbleiterschaltelement (30) zum Koppeln des zweiten Batteriepotentials (12) mit dem zweiten Batterieanschluss (16), zu welchem Zweck das Halbleiterschaltelement (30) genau zwei Schaltstreckenanschlüsse (32, 34) aufweist, von denen ein erster am zweiten Batteriepotential (12) und ein zweiter unmittelbar am zweiten Batterieanschluss (16) angeschlossen ist, und mit einer Inversdiode (36), die unmittelbar am ersten und am zweiten Batterieanschluss (16, 18) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie 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 elektrisch miteinander verbunden sind und ein erstes und ein zweites elektrisches Batteriepotential einer Batteriespannung der Fahrzeugbatterie bereitstellen, und mit einem elektromechanischen Schaltelement zum Koppeln des ersten Batteriepotentials mit dem ersten Batterieanschluss abhängig von einem Schaltzustand des elektromechanischen Schaltelements, zu welchem Zweck das elektromechanische Schaltelement genau zwei Schaltelementanschlüsse aufweist, von denen ein erster der beiden Schaltelementanschlüsse am ersten Batteriepotential und ein zweiter der beiden Schaltelementanschlüsse unmittelbar am ersten Batterieanschluss angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem Gleichspannungszwischenkreis, der in einem bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer Zwischenkreisgleichspannung beaufschlagt ist, und mit einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelten Fahrzeugbatterie, die zwei Batterieanschlüsse zum elektrischen Koppeln mit Zwischenkreispotential und der Zwischenkreisgleichspannung aufweist und an denen eine Batteriespannung der Fahrzeugbatterie bereitstellbar ist.
Fahrzeugbatterien sowie auch Bordnetze sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Eine Fahrzeugbatterie der gattungsgemäßen Art dient in der Regel dazu, elektrische Energie reversibel zu speichern. Eine solche Fahrzeugbatterie wird auch als Akkumulator bezeichnet. Zum Zwecke des reversiblen Energiespeicherns umfasst die Fahrzeugbatterie 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 V bis 4,5 V, abhängig von der Zellchemie.
Fahrzeugbatterien der gattungsgemäßen Art sollen jedoch häufig hohe Gleichspannungen bereitstellen, beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eine Gleichspannung im Bereich von mehreren hundert Volt, beispielsweise etwa 400 V oder mehr, insbesondere etwa 800 V. Daraus ergibt sich, dass zur Realisierung solcher Gleichspannungen durch die Fahrzeugbatterie eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet werden müssen. Je nach Energiebeziehungsweise Leistungsbedarf kann ergänzend auch eine Parallelschaltung von Batteriezellen vorgesehen sein. Solche Fahrzeugbatterien werden häufig in Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Gerade bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel zumindest ein Bordnetz, nämlich das Gleichspannungsbordnetz, 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 Fahrzeugbatterie, insbesondere aus konstruktiver Sicht und aus Sicht der elektrischen Sicherheit, die bei derartigen Fahrzeugbatterien, auch Hochvoltbatterien genannt, zu beachten sind. So ist es beispielsweise vorgeschrieben, dass die Fahrzeugbatterie eine Schalteinheit umfasst, mittels der die Batteriezellen zumindest einpolig von den Batterieanschlüssen getrennt werden können. Zu diesem Zweck ist in der Regel das elektromechanische Schaltelement vorgesehen, beispielsweise nach Art eines Schützes oder dergleichen.
Elektromechanische Schaltelemente, sind im Stand der Technik ebenfalls umfänglich bekannt, sodass es auch hier eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises nicht bedarf. Elektromechanische Schaltelemente, auch Schalter oder Schaltgeräte genannt, dienen insbesondere dazu, zwischen wenigstens zwei elektrischen Schaltelementanschlüssen eine reversibel lösbare elektrisch leitfähige Verbindung herzustellen. Die Verbindung wird abhängig von einem Schaltzustand des elektromechanischen Schaltelements hergestellt. In diesem Zusammenhang umfasst das elektromechanische Schaltelement zumindest zwei Kontakteinheiten, wobei jede der Kontakteinheiten jeweils wenigstens ein an einem Kontaktträger der Kontakteinheit angeordnetes Kontaktelement aufweist. Der Kontaktträger einer jeweiligen der Kontakteinheiten und das zugehörige Kontaktelement können auch einstückig ausgebildet sein.
In einem eingeschalteten Schaltzustand des Schaltelements sind die Kontaktelemente der wenigstens zwei Kontakteinheiten miteinander elektrisch verbunden beziehungsweise sie berühren sich, sodass ein elektrischer Kontakt hergestellt ist. Auf diese Weise wird die elektrisch leitfähige Verbindung im eingeschalteten Schaltzustand realisiert. Im ausgeschalteten Schaltzustand des Schaltelements sind die wenigstens zwei Kontaktelemente dagegen voneinander entfernt angeordnet beziehungsweise positioniert, sodass die elektrisch leitfähige Verbindung unterbrochen ist. Das elektromechanische Schaltelement kann auf diese Weise unterschiedlichste Schaltfunktionen realisieren, so zum Beispiel eine Schließerfunktion, eine Öffnerfunktion, eine Umschaltfunktion, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen.
Elektromechanische Schaltelemente 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 Schaltelemente 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 Betätigungsstart zum Betätigen von wenigstens einem der Kontaktelemente gekoppelt beziehungsweise einstückig mit diesen ausgebildet. Zu diesem Zweck kann die Spule schaltzustandsgemäß mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Derartige elektromechanische Schaltelemente sind vielfach im Einsatz und werden je nach Anwendung als Relais, als Schütz oder dergleichen bezeichnet. Elektromechanische Schaltelemente, 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.
Bei heutigen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar sind, ist in der Regel ein Gleichspannungsbordnetz vorgesehen. Das Bordnetz umfasst in der Regel elektrische Einheiten des Kraftfahrzeugs, die an einem Gleichspannungszwischenkreis des Gleichspannungsbordnetzes angeschlossen sind, damit zwischen diesen Einheiten elektrische Energie verteilt werden kann. Insbesondere ist an den Gleichspannungszwischenkreis auch eine Fahrzeugbatterie angeschlossen, die dazu dient, elektrische Energie bereitzustellen oder auch aufzunehmen.
Als nachteilig hat sich herausgestellt, dass für unterschiedliche Bordnetze von unterschiedlichen Kraftfahrzeugen jeweils spezifisch Fahrzeugbatterien bereitzustellen sind. Dies ist aufwändig und kostenintensiv. Es besteht deshalb der Wunsch, durch Standardisierung beziehungsweise Vereinheitlichung den Aufwand für Gleichspannungsbordnetze insgesamt zu reduzieren.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Gleichspannungsbordnetze zu verbessern und hierfür auch eine passende Fahrzeugbatterie anzugeben.
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Fahrzeugbatterie sowie ein Gleichspannungsbordnetz gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Fahrzeugbatterie wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass diese ein Halbleiterschaltelement zum Koppeln des zweiten Batteriepotentials mit dem zweiten Batterieanschluss abhängig von einem Schaltbetrieb des Halbleiterschaltelements aufweist, zu welchem Zweck das Halbleiterschaltelement genau zwei mit einer Schaltstrecke des Halbleiterschaltelements verbundene Schaltstreckenanschlüsse, von denen ein erster der beiden Schaltstreckenanschlüsse am zweiten Batteriepotential und ein zweiter der beiden Schaltstreckenanschlüsse unmittelbar am zweiten Batterieanschluss angeschlossen ist, und eine Inversdiode aufweist, die unmittelbar am ersten und am zweiten Batterieanschluss derart angeschlossen ist, dass sie beim Beaufschlagen mit der Batteriespannung in Sperrrichtung beansprucht ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Gleichspannungsbordnetzes wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Fahrzeugbatterie nach der Erfindung ausgebildet ist, wobei die Batteriespannung größer als die Zwischenkreisgleichspannung ist, und wenigstens zwischen einem der zwei Batterieanschlüsse und dem jeweiligen der Zwischenkreispotentiale eine Induktivität angeschlossen ist, wobei das Gleichspannungsbordnetz ausgebildet ist, zum Koppeln der Zwischenkreisgleichspannung mit der Batteriespannung ein Halbleiterschaltelement der Fahrzeugbatterie in einem Schaltbetrieb zu betreiben.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass eine Standardisierung beziehungsweise Vereinfachung erreicht werden kann, indem die Fahrzeugbatterie für eine Bemessungsspannung ausgelegt wird, die größer als eine Betriebsspannung des Gleichspannungszwischenkreises des Gleichspannungsbordnetzes ist, wobei durch die spezifische Ausgestaltung der Fahrzeugbatterie bedarfsweise auf einfache Weise eine Tiefsetzstellfunktion realisiert werden kann, sodass auf einfache Weise eine Spannungsanpassung in hochflexibler Form und leicht anpassbar an spezifische Bordnetze realisiert werden kann. Dadurch kann erreicht werden, dass mit einer einzigen Konstruktion einer Fahrzeugbatterie eine Vielzahl von unterschiedlichen Gleichspannungsbordnetzen von Kraftfahrzeugen gekoppelt werden kann. Die im Stand der Technik übliche spezifische Fahrzeugbatteriekonstruktion für ein jeweiliges der Gleichspannungsbordnetze ist somit nicht mehr erforderlich beziehungsweise kann reduziert werden. Dadurch kann der Aufwand insgesamt reduziert werden.
Wird nämlich durch die an den Batterieanschlüssen angeschlossene Komponente eine andere Spannung benötigt, die von der Batteriespannung abweicht, insbesondere kleiner ist, so kann mit der Erfindung durch einfaches Hinzufügen der Induktivität eine Tiefsetzstellfunktion realisiert werden, um eine entsprechende Spannungsanpassung realisieren zu können. Der auf diese Weise gebildete Tiefsetzsteller (Buck) verteilt sich somit im Wesentlichen über lediglich zwei Komponenten, nämlich die Fahrzeugbatterie und hier insbesondere dessen Halbleiterschaltelement und dessen Inversdiode, sowie die zusätzlich vorgesehene Induktivität. Das Halbleiterschaltelement ist dann entsprechend in einem Schaltbetrieb zu betreiben, sodass die gewünschte Energiewandlungsfunktion realisiert werden kann. Wird dagegen bei einem anderen Gleichspannungsbordnetz lediglich die Standardschützfunktion aus Gründen der elektrischen Sicherheit benötigt, so kann die an den Batterieanschlüssen anzuschließende Komponente ohne Induktivität unmittelbar an den Batterieanschlüssen angeschlossen werden, wobei dann das Halbleiterschaltelement nicht im Taktbetrieb betrieben zu werden braucht. Vielmehr kann es - ebenso wird das elektromechanische Schaltelement - in einem jeweiligen spezifischen Schaltzustand geschaltet betrieben werden. Dadurch kann die Fahrzeugbatterie für unterschiedlichste Anwendungen bei Gleichspannungsbordnetzen zum Einsatz kommen. Die Fertigung von Gleichspannungsbordnetzen sowie auch Kraftfahrzeugen kann dadurch deutlich effektiver realisiert werden.
Die Fahrzeugbatterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ion-Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie.
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 In einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Aufbau einer Fahrzeugbatterie,
2 In einer schematischen Schaltbilddarstellung ein erstes Gleichspannungsbordnetz mit einer Fahrzeugbatterie gemäß 1 und einem Energiewandler,
3 In einer schematischen Schaltbilddarstellung ein zweites Gleichspannungsbordnetz mit einer Fahrzeugbatterie gemäß 1 und einem Kälteverdichter, und
4 In einer schematischen Schaltbilddarstellung ein drittes Gleichspannungsbordnetz mit einer Fahrzeugbatterie gemäß 1 und einem elektrischen Heizer.

1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Fahrzeugbatterie 10 zum reversiblen elektrochemischen Speichern von elektrischer Ladung, wie sie üblicherweise bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug zum Einsatz kommt. Die Fahrzeugbatterie 10 ist vorliegend eine Lithium-Ion-Batterie, die eine Bemessungsspannung von vorliegend etwa 450 Volt aufweist. Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst hierzu eine Mehrzahl von Batteriezellen 14, die in der 1 lediglich schematisch mit einem Symbol dargestellt sind und die zur Bereitstellung der Bemessungsspannung als Batteriespannung in geeigneter Weise elektrisch miteinander verschaltet sind. Die Batteriezellen 14 stellen ein erstes und ein zweites elektrisches Batteriepotential 12, 20 der Batteriespannung 22 der Fahrzeugbatterie 10 bereit. Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst ferner einen ersten und einen zweiten Batterieanschluss 16, 18, an denen die Fahrzeugbatterie 10 elektrisch mit einem Gleichspannungsbordnetz 50 (2, 3, 4) gekoppelt werden kann.
Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst ferner ein elektromechanisches Schaltelement 24 nach Art eines Schützes zum Koppeln des ersten Batteriepotentials 20 mit dem ersten Batterieanschluss 18 abhängig von einem Schaltzustand des elektromechanischen Schaltelements 24. Zu diesem Zweck weist das elektromechanische Schaltelement 24 genau zwei Schaltelementanschlüsse 26, 28 auf, von denen ein erster der beiden Schaltelementanschlüsse 26 am ersten Batteriepotential 20 und ein zweiter der beiden Schaltelementanschlüsse 28 unmittelbar am ersten Batterieanschluss 18 angeschlossen ist. Mit dem Schaltelement 24 kann eine Sicherheitsfunktion für die Fahrzeugbatterie 10 realisiert werden.
Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst ferner ein Halbleiterschaltelement 30, welches vorliegend als MOSFET ausgebildet ist. Das Halbleiterschaltelement 30 kann jedoch auch durch einen beliebigen anderen Transistor, beispielsweise einen bipolaren Transistor, einen IGBT oder dergleichen gebildet sein. Das Halbleiterschaltelement 30 umfasst vorzugsweise eine Inversdiode, die in den Fig. nicht bezeichnet ist. Das Halbleiterschaltelement 30 dient zum Koppeln des zweiten Batteriepotentials 12 mit dem zweiten Batterieanschluss 16 abhängig von einem Schaltbetrieb des Halbleiterschaltelements 30. Zu diesem Zweck weist das Halbleiterschaltelement 30 genau zwei mit einer Schaltstrecke des Halbleiterschaltelements 30 verbundene Schaltstreckenanschlüsse 32, 34 auf, von denen ein erster der beiden Schaltstreckenanschlüsse 32 am zweiten Batteriepotential 12 und ein zweiter der beiden Schaltstreckenanschlüsse 34 unmittelbar am zweiten Batterieanschluss 16 angeschlossen ist.
Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst ferner eine Inversdiode 36, die unmittelbar am ersten und am zweiten Batterieanschluss 16, 18 derart angeschlossen ist, dass sie bei Beaufschlagen mit der Batteriespannung 22 in Sperrrichtung beansprucht ist. Die Inversdiode 36 ist somit derart an die Batterieanschlüsse 16, 18 angeschlossen, dass sie weder mittels des Schaltelements 24 noch mittels des Halbleiterschaltelements 30 in ihrer elektrischen Verbindung zu den Batterieanschlüssen 16, 18 beeinflusst werden kann.
Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst in der vorliegenden Ausgestaltung auch eine Steuereinheit 38. Die Steuereinheit 38 ist ausgebildet, das Halbleiterschaltelement 30 im Schaltbetrieb abhängig von einem Halbleitersteuersignal 40 zu steuern. Das Halbleitersteuersignal 40 wird an einem nicht bezeichneten Steueranschluss des Halbleiterschaltelements 30 zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 38 ausgebildet, das elektromechanische Schaltelement 24 abhängig von einem Schaltelementsteuersignal 42 zu steuern. Im vorliegenden Fall, in dem das Schaltelement 24 als Schütz ausgebildet ist, kann mit dem Schaltelementsteuersignal 42 eine Steuerspule des Schützes beaufschlagt werden.
Die Steuereinheit 38 kann somit die Schaltzustände sowohl des Halbleiterschaltelements 30 als auch des elektromechanischen Schaltelements 24 in geeigneter Weise steuern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 38 mit einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung eines Elektrofahrzeugs, in dem das Gleichspannungsbordnetz 50 und die Fahrzeugbatterie 10 angeordnet sind, in Kommunikationsverbindung stehen. Dies ist in den Fig. jedoch nicht dargestellt.
Das Halbleiterschaltelement 30, die Inversdiode 36 sowie das elektromechanische Schaltelement 24 sind in einem nicht dargestellten Batteriegehäuse der Fahrzeugbatterie 10 integriert angeordnet. In der vorliegenden Ausgestaltung ist dies auch für die Steuereinheit 38 vorgesehen. In alternativen Ausgestaltungen kann die Steuereinheit 38 zumindest teilweise jedoch auch durch die übergeordnete Fahrzeugsteuerung gebildet sein.
Die Fahrzeugbatterie 10 ist somit eine einzeln handhabbare Baugruppe, die zur Ausrüstung von Gleichspannungsbordnetzen, die dem Gleichspannungsbordnetz 50 des Elektrofahrzeugs genutzt werden kann. Wie sich im Folgenden zeigt, ermöglicht die Fahrzeugbatterie 10 gemäß der Erfindung einen hochflexiblen Einsatz in unterschiedlichen Gleichspannungsbordnetzen beziehungsweise Kraftfahrzeugen.
2 zeigt ein Gleichspannungsbordnetz 50 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs mit einem Gleichspannungszwischenkreis 48, der in einem bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer Zwischenkreisgleichspannung 52 beaufschlagt ist. Das Gleichspannungsbordnetz 50 weist ferner eine mit dem Gleichspannungszwischenkreis 48 gekoppelte Fahrzeugbatterie 10 auf, wie sie bereits anhand von 1 ausführlich erläutert wurde. Die zwei Batterieanschlüsse 16, 18 der Fahrzeugbatterie 10 dienen zum elektrischen Koppeln mit Zwischenkreispotentialen der Zwischenkreisgleichspannung 52.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Batteriespannung 22 der Fahrzeugbatterie 10 größer als die Zwischenkreisgleichspannung 52 ist. Um nun eine energietechnische Kopplung realisieren zu können, ist zwischen einem der beiden Batterieanschlüsse 16 und dem jeweiligen der Zwischenkreispotentiale der Zwischenkreisgleichspannung 52 eine Induktivität 44 angeschlossen, die vorliegend als elektrische Spule ausgebildet ist. Das Gleichspannungsbordnetz 50 ist ferner ausgebildet, zum Koppeln der Zwischenkreisgleichspannung 52 mit der Batteriespannung 22 das Halbleiterschaltelement 30 der Fahrzeugbatterie 10 in vorgegebener Weise in einem Schaltbetrieb zu betreiben, sodass eine Tiefsetzstellfunktion zur Spannungsanpassung realisiert werden kann. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 38 der Fahrzeugbatterie 10 mit einer nicht dargestellten übergeordneten Fahrzeugsteuerung gekoppelt ist, von der sie die relevanten Daten bezüglich des Gleichspannungsbordnetzes 50 erhält, sodass eine vorgegebene Energiewandlung erreicht werden kann.
Um die Energiewandlungsfunktionalität realisieren zu können, braucht also an den Batterieanschluss 16 nur die Induktivität 44 geschaltet zu werden. Durch die Inversdiode 36 kann auf einfache Weise mit wenigen Bauteilen die Tiefsetzstellfunktion realisiert werden. Der erste Batterieanschluss 18 ist dabei mit den Batteriezellen 14 über das elektromechanische Schaltelement 24 verbunden. Dadurch können Sicherheitsanforderungen bezüglich einer Spannungsfreischaltung und auch eine Funktion bezüglich einer Schmelzsicherung dargestellt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mittels des Halbleiterschaltelements 30 auch eine Vorladefunktion bezüglich des Gleichspannungszwischenkreises 48 durchzuführen, wenn die Fahrzeugbatterie 10 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 48 elektrisch gekoppelt wird. Zu diesem Zweck kann das Halbleiterschaltelement 30 ebenfalls in einem entsprechend geeigneten Schaltbetrieb betrieben werden, der durch die Steuereinheit 38 bereitgestellt werden kann.
In dieser Ausgestaltung des Gleichspannungsbordnetzes 50 ist an den Gleichspannungszwischenkreis 48 ein Energiewandler 46 angeschlossen, der als galvanisch getrennter Bordnetzwandler mit einem festen Eingangsspannungsbereich ist. Die Zwischenkreisgleichspannung 52 ist entsprechend der Anforderungen des Bordnetzwandlers 46 gewählt. Der galvanisch getrennte Bordnetzwandler 46 kann somit auf einen festen Eingangsspannungsbereich, ein festes Übersetzungsverhältnis, definierte Lastpunkte oder andere Gestaltungskriterien optimiert ausgelegt werden. Darüber hinaus können durch Wahl eines Induktivitätswerts der Induktivität 44 auch Eigenschaften bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit beeinflusst werden.
Das Halbleiterschaltelement 30 der Fahrzeugbatterie 10 kann dabei folgende Funktionen übernehmen:

1. Schalter eines Tiefsetzstellers im Schaltbetrieb
2. Schaltelement eines Hochvolt-Schützes
3. Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises 48
4. Reduzierung der Anforderung zur Vermeidung eines internen Kurzschlusses im Bordnetzwandler 46
5. Schmelzsicherung in der Fahrzeugbatterie 10.

Die Inversdiode 36 der Fahrzeugbatterie 10 kann folgende Funktionen realisieren:

1. einen Freilaufpfad für die induktiv gespeicherte Energie bei einem Kurzschluss im Bordnetzwandler 46 während des Öffnens des Halbleiterschaltelements 30 oder des Schaltelements 24
2. Freilaufdiode bei der Funktion des Tiefsetzstellens.

Die Induktivität 44 kann folgende Funktionalitäten übernehmen:

1. Sie kann die Funktion des Tiefsetzstellens in Zusammenwirkung mit dem Halbleiterschaltelement 30 und der Inversdiode 36 realisieren.
2. Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit insbesondere in Bezug auf den Bordnetzwandler 46
3. Ein Stromanstieg im Halbleiterschaltelement 30 der Fahrzeugbatterie 10 kann während der Vorladefunktion reduziert werden.

Als Vorteile ergeben sich, dass es der zumindest teilweise in die Fahrzeugbatterie 10 integrierte Energiewandler ermöglicht, die Fahrzeugbatterie 10 für eine Vielzahl unterschiedlicher Gleichspannungsbordnetze 50 zu realisieren, und zwar weitgehend unabhängig von unterschiedlichen Spannungslagen. Darüber hinaus kann eine Wirkungsgradverbesserung im Bordnetzwandler 46 durch eine gezielte Auslegung, insbesondere auf definiert einstellbare Betriebspunkte, erreicht werden. Weiterhin kann eine hochvoltsichere Lösung an den Anschlüssen zwischen der Fahrzeugbatterie 10 und dem Bordnetzwandler 46 erreicht werden. Weiterhin ist eine Verbesserung hinsichtlich Bordnetzstörungen und elektromagnetischer Verträglichkeit durch die passive Filterwirkung der Induktivität 44 möglich. Falls eine Verbindung zwischen der Fahrzeugbatterie 10 und dem Bordnetzwandler 46 dauerhaft gewährleistet werden kann, kann auch bei Notabschaltung des Gleichspannungsbordnetzes 50 des Kraftfahrzeugs die Fahrzeugbatterie 10 weiterbetrieben werden, da der Bordnetzwandler 46 eine galvanische Trennung bereitstellt. Ferner kann eine zentrale Entladefunktionalität für das gesamte Gleichspannungsbordnetz 50 durch Entladung im Bereich des Bordnetzwandlers 46 oder durch Umwandlung in eine Niedervoltenergie erreicht werden, woraus sich eine Kostenoptimierung und eine Komplexitätsreduzierung ergeben kann. Falls die identische Fahrzeugbatterie 10 in einer anderen Architektur eines Gleichspannungsbordnetzes genutzt werden soll, in der lediglich eine Schützfunktion und die Funktion der Schmelzsicherung benötigt werden, kann dies ohne Anpassungen der Fahrzeugbatterie 10 erreicht werden.
3 zeigt ein weiteres Gleichspannungsbordnetz 50, dessen Ausgestaltung im Wesentlichen auf der bereits zur 2 erläuterten Ausgestaltung basiert, weshalb im Folgenden lediglich noch die Unterschiede in Bezug auf die Ausgestaltung gemäß 2 erläutert werden. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2 ist an den Gleichspannungszwischenkreis 48 ein Kältemittelverdichter 54 angeschlossen. Mittels der Fahrzeugbatterie 10 und der Induktivität 44 kann nun die Zwischenkreisspannung 52 auf einen definierten Wert gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Infolgedessen kann der Kältemittelverdichter 54 somit ebenfalls auf einen festen Eingangsspannungsbereich, auf definierte Lastpunkte oder andere Gestaltungskriterien optimiert ausgelegt werden.
Die Induktivität 44 ermöglicht es ferner, Eigenschaften hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit des elektrischen Kältemittelverdichters 54 zu verbessern. Mit diesem Bordnetz 50 gemäß 3 können im Wesentlichen die gleichen Funktionalitäten und Vorteile wie bereits zur 2 erläutert erreicht werden.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Bordnetzes 50, welche auf den beiden zuvor bereits beschriebenen Ausgestaltungen gemäß der 2 und 3 basiert. Im Folgenden werden deshalb wiederum lediglich die Unterschiede erläutert. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß der 2 und 3 ist an den Gleichspannungszwischenkreis 48 nunmehr ein elektrischer Heizer 56 angeschlossen. Der elektrische Heizer 56 umfasst vorliegend auch die Induktivität 44, sodass eine separate Induktivität 44 nicht unbedingt vorgesehen zu werden braucht. Die weitere Funktionalität entspricht der, wie sie bereits zu den vorhergehenden Ausgestaltungen gemäß der 2 und 3 erläutert wurde. Der elektrische Heizer 56 wird als externe Komponente außerhalb der Fahrzeugbatterie 10 somit ausschließlich nur noch aus passiven Bauteilen gebildet, wodurch dessen Komplexität deutlich reduziert. Die Leistung des elektrischen Heizers kann durch ein Tastverhältnis des Halbleiterschaltelements 30 im Schaltbetrieb nahezu stufenlos geregelt beziehungsweise gesteuert werden. Die Induktivität 44 begrenzt dabei Stromanstiegssteilheiten, wodurch Störungen im Gleichspannungsbordnetz 50 deutlich reduziert werden können.
Zusätzlich zu den Vorteilen, die bereits zu den Ausgestaltungen gemäß der 2 und 3 erläutert wurden, können ergänzend die folgenden Vorteile erreicht werden:

- Vereinfachung des Heizers zu einer Komponente aus rein passiven Bauteilen
- falls die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Heizer 56 und der Fahrzeugbatterie 10 permanent gewährleistet werden kann, kann durch die Fahrzeugbatterie 10 eine Kontrolle der Heizfunktion ermöglicht werden, sodass batterieschädigende Ströme abgefangen beziehungsweise reduziert werden können, beispielsweise bei einer starken Rekuperation bei einer kalten Fahrzeugbatterie 10, woraus sich eine Verbesserung der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie 10 ergeben kann, und eine Nutzung von etwaiger Rekuperationsenergie zur Umwandlung in nutzbare Wärme in einem Kühlkreislauf, falls diese Energie nicht chemisch in der Fahrzeugbatterie aufgenommen werden kann, wodurch die Funktion eines Bremswiderstands realisiert werden kann.

Die in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeugbatterie
12: Batteriepotential
14: Batteriezellen
16: Batterieanschluss
18: Batterieanschluss
20: Batteriepotential
22: Batteriespannung
24: Schaltelement
26: Schaltelementanschlüsse
28: Schaltelementanschlüsse
30: Halbleiterschaltelement
32: Schaltstreckenanschlüsse
34: Schaltstreckenanschlüsse
36: Inversdiode
38: Steuereinheit
40: Halbleitersteuersignal
42: Schaltelementsteuersignal
44: Induktivität
46: Bordnetzwandler
48: Gleichspannungszwischenkreis
50: Bordnetz
52: Zwischenkreisgleichspannung
54: Kältemittelverdichter
56: Heizer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN/EN 61058-1 [0008]

Claims

Fahrzeugbatterie (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 (14) elektrisch miteinander verbunden sind und ein erstes und ein zweites elektrisches Batteriepotential (12, 20) einer Batteriespannung (22) der Fahrzeugbatterie (10) bereitstellen, und mit einem elektromechanischen Schaltelement (24) zum Koppeln des ersten Batteriepotentials (20) mit dem ersten Batterieanschluss (18) abhängig von einem Schaltzustand des elektromechanischen Schaltelements (24), zu welchem Zweck das elektromechanische Schaltelement (24) genau zwei Schaltelementanschlüsse (26, 28) aufweist, von denen ein erster der beiden Schaltelementanschlüsse (26) am ersten Batteriepotential (20) und ein zweiter der beiden Schaltelementanschlüsse (28) unmittelbar am ersten Batterieanschluss (18) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch ein Halbleiterschaltelement (30) zum Koppeln des zweiten Batteriepotentials (12) mit dem zweiten Batterieanschluss (16) abhängig von einem Schaltbetrieb des Halbleiterschaltelements (30), zu welchem Zweck das Halbleiterschaltelement (30) genau zwei mit einer Schaltstrecke des Halbleiterschaltelements (30) verbundene Schaltstreckenanschlüsse (32, 34) aufweist, von denen ein erster der beiden Schaltstreckenanschlüsse (32) am zweiten Batteriepotential (12) und ein zweiter der beiden Schaltstreckenanschlüsse (34) unmittelbar am zweiten Batterieanschluss (16) angeschlossen ist, und eine Inversdiode (36), die unmittelbar am ersten und am zweiten Batterieanschluss (16, 18) derart angeschlossen ist, dass sie bei Beaufschlagen mit der Batteriespannung (22) in Sperrrichtung beansprucht ist.
Fahrzeugbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (38), die ausgebildet ist, das Halbleiterschaltelement (30) im Schaltbetrieb abhängig von einem Halbleitersteuersignal (40) zu steuern.
Fahrzeugbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (38) ausgebildet ist, das elektromechanische Schaltelement (24) abhängig von einem Schaltelementsteuersignal (42) zu steuern.
Gleichspannungsbordnetz (50) eines Kraftfahrzeugs mit einem Gleichspannungszwischenkreis (48), der in einem bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer Zwischenkreisgleichspannung (52) beaufschlagt ist, und mit einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis (48) gekoppelten Fahrzeugbatterie (10), die zwei Batterieanschlüsse (16, 18) zum elektrischen Koppeln mit Zwischenkreispotentialen der Zwischenkreisgleichspannung (52) aufweist und an denen eine Batteriespannung (22) der Fahrzeugbatterie (10) bereitstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Batteriespannung (22) größer als die Zwischenkreisgleichspannung (52) ist, und wenigstens zwischen einem der zwei Batterieanschlüsse (16) und dem jeweiligen der Zwischenkreispotentiale eine Induktivität (44) angeschlossen ist, wobei das Gleichspannungsbordnetz (50) ausgebildet ist, zum Koppeln der Zwischenkreisgleichspannung (52) mit der Batteriespannung (22) ein Halbleiterschaltelement (30) der Fahrzeugbatterie (10) in einem Schaltbetrieb zu betreiben.
Gleichspannungsbordnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleichspannungszwischenkreis (48) ein Energiewandler (46) mit einem vorgegebenen Eingangsspannungsbereich angeschlossen ist.
Gleichspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Gleichspannungszwischenkreis (48) ein Kältemittelverdichter (54) mit einem vorgegebenen Eingangsspannungsbereich angeschlossen ist.
Gleichspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleichspannungszwischenkreis ein elektrischer Heizer mit einem vorgegebenen Eingangsspannungsbereich angeschlossen ist.