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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer Systemintegration für eine modulare Wechselstrombatterie (AC-Batterie), bei dem verschiedene Bauteile eines Batteriegesamtsystems in ein Gesamtsystemgehäuse integriert werden. Ferner wird das in dem Gesamtsystemgehäuse integrierte Batteriegesamtsystem als Gesamtsystem beansprucht. Ein solches Gesamtsystem kann in elektrischen und hybridelektrischen Fahrzeugen verbaut werden.
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Aktuell ist aus dem Stand der Technik zu der Entwicklung großer Batterien, wie bspw. Traktionsbatterien von elektrischen Fahrzeugen oder Netzspeichern ein Trend zu einer Modulbildung festzustellen. Dies bedeutet, dass eine solche Batterie mechanisch in gleichartige Module aufgeteilt ist und etwaig vorhandene Elektronik in den Modulen zumeist an einer oberen oder seitlichen Fläche der jeweiligen Module montiert ist. Als Batterie sei dabei die Gesamtheit aller verschalteten Primärzellen, Sekundärzellen, Kondensatoren aller Art oder generell Energiequellen oder Energiespeicher, die lediglich Gleichspannung verwenden, verstanden. So beschreibt bspw. die Druckschrift 10 2017 000 263 A1 ein Baukastensystem für unterschiedliche Batteriemodulträger zum Aufnehmen von Traktionsbatterien. Ein Gesamtgehäuse ist dabei als Sandwichkonstruktion aus Blechen und Kunststoffen ausgebildet.
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Die chinesische Druckschrift
CN 204167432 U offenbart ein modulares Gehäuse, welches je nach Größe und Zahl der einzubringenden Energiezellen einfach angepasst werden kann. Es weist eine Ladeschnittstelle auf. Integriert sind ein Batteriemanagementsystem und Kühlplatten bzw. ein Kühlleitungssystem, um die Zufuhr eines Kühlmittels zwischen den Batteriezellen zu erleichtern.
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Traditionelle elektrische Antriebssysteme mit Wechsel- oder Drehstrommotoren in Kraftfahrzeugen setzen in der Regel einfache Konverter zur Erzeugung näherungsweise sinusförmiger Strom- oder Spannungsverläufe für eine Elektromaschine ein.
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Typischerweise handelt es sich dabei um strom- oder spannungsgesteuerte Zweipunktschaltungen. Derartige Schaltungen sind zwar weiterhin in Großantrieben, bspw. in Zügen, verbreitet, neuere Fahrzeuge nutzen jedoch nahezu ausschließlich spannungsgesteuerte Schaltungen. Nachteilig treten bei dieser Form der Strom- bzw. Spannungserzeugung sehr hohe Verzerrungen auf, die Störungen in elektronischen Geräten, Alterung von Antriebskomponenten, Schwingungen und Drehmomentwelligkeit hervorrufen können. Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu umgehen, ist ein Multilevelkonverter .
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Das Schaltungskonzept modularer Multilevelkonverter, bspw. beschrieben in der Druckschrift
DE 102 17 889 Al, kann dazu eingesetzt werden, ansonsten fest verdrahtete Batteriepacks in mehrere modulare Batterieteile aufzuteilen, deren elektrische Verschaltung dynamisch im Betrieb verändert werden kann. Dabei kann ein modulares Batterieteil aus einzelnen Batteriezellen, aber auch aus mehreren Batteriezellen, die selbst wieder ein kleines Batteriepack bilden, bestehen. Die dynamische Rekonfiguration einer Batterieverschaltung ermöglicht nicht nur ein Überbrücken defekter Batteriezellen oder eine Erzeugung beliebiger Ausgangsspannungen, sondern kann für eine direkte Erzeugung einer Multiphasen-Wechselspannung für einen oder mehrere Verbraucher herangezogen werden. Gegenüber konventionellen Vorgehensweisen bei gewöhnlichen Gleichstrombatterien müssen Ausgänge einer solchen Wechselstrombatterie differenziert behandelt werden, z. B. in Hinblick auf Absicherung, bspw. durch Schütze oder Sicherungen, sowie Integration, bspw. Notwendigkeit niedriger Induktivität einer den Wechselstrom führenden Leitung in Bezug auf Spannungsverluste und EMV. Ein weiterer zentraler Unterschied zu konventionellen Batterien, nämlich dass modulare Wechselstrombatterien je nach einer Phasenanzahl einer angeschlossenen Elektromaschine drei oder mehr Phasen erzeugen, schlägt sich dementsprechend in einer Modulanzahl nieder, die in der Regel einem ganzzahligen Vielfachen der Phasenanzahl entspricht. Module einer Phase sind dabei elektrisch untereinander direkt verkabelt. Eine Steuerung all dieser zu verbauenden Module findet in einem Batteriemanagementsystem statt, welches es zusätzlich zu integrieren gilt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Systemintegrationslösung für eine modulare Wechselstrombatterie zur Verfügung zu stellen, bei der Bauteile einer solchen Wechselstrombatterie, wie bspw. Kühlung, Batteriemanagementsystem oder Module, innerhalb eines Gehäuses angeordnet werden sollen. Dabei sollen Wechselstromleitungen zwischen Modulen so kurz wie möglich gehalten werden. Ferner ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein der Systemintegrationslösung entsprechendes Gesamtsystemgehäuse bereitzustellen.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Systemintegration für eine modulare N-phasige Wechselstrombatterie vorgeschlagen, bei dem ein Batteriegesamtsystem als Bauteile mindestens einen modularen Multilevelkonverter, eine Managementsystembox, mindestens eine Kühlplatte und nach außen, d. h. von außen zugängliche, jeweilige Schnittstellen zu den jeweiligen Bauteilen umfasst, bei dem der modulare Multilevelkonverter aus einer Anzahl M mal N Batteriemodulen gebildet wird, bei dem von jeweils M Batteriemodulen ein jeweiliger eine Wechselstromphase erzeugender Strang gebildet wird und in diesem jeweiligen Strang die jeweiligen M Batteriemodule in Reihe verschaltet werden, bei dem die jeweiligen M Batteriemodule eines jeweiligen Strangs benachbart zueinander entlang einer Abfolge der Reihenverschaltung angeordnet werden, bei dem in die Managementsystembox ein Batteriemanagementsystem und ein Lademanagementsystem integriert werden, bei dem das Batteriemanagementsystem mindestens mit einem Zentralcontroller, d. h. einer zentralen Steuereinheit, pro Strang mit einer Strangsicherung und einem Strangstrommessungsmodul, sowie zu N-1 Strängen jeweils mit einem Motorschütz gebildet wird, bei dem das Lademanagementsystem mindestens mit einer Spannungsmessplatine, mindestens einem Kurzschlussschütz, mindestens einem Gleichspannungsladeschütz und mindestens einem Wechselspannungsladeschütz gebildet wird, wobei die Bauteile des Batteriegesamtsystem auf mindestens einer metallischen Platte angeordnet werden, wobei unterhalb einer jeweiligen mindestens ein Batteriemodul aufweisenden metallischen Platte die mindestens eine Kühlplatte angeordnet wird, und wobei das Batteriegesamtsystem in ein Gesamtsystemgehäuse integriert wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung stellen M und N ganzzahlige Zahlen dar.
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Das Gesamtsystemgehäuse weist die mindestens eine metallische Platte auf. Das Gesamtsystemgehäuse umfasst in der Regel einen Gerüstrahmen mit darin angeordneten metallischen Platten und einrahmenden Gehäusewänden. Somit bildet das Gesamtsystemgehäuse eine Mehrzahl von Fächern aus, in denen zumindest ein Teil der Bauteile des Batteriegesamtsystems angeordnet werden. Bei der untersten metallischen Platte handelt es sich um eine Bodenplatte des Gesamtsystemgehäuses. Eine jeweilige metallische Platte stellt einen Träger für die Batteriemodule und/oder die Managementsystembox dar. Je nach Ausgestaltung entsprechen die Ausmaße der jeweiligen metallischen Platten einer Grundfläche des Gesamtsystemgehäuses oder sind in einer jeweiligen Schicht oberhalb der Grundplatte verkleinert, um bspw. die Anordnung der Managementsystembox zu ermöglichen.
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Ein jeweiliges Batteriemodul wird durch mindestens ein Modul eines Multilevelkonverters gebildet. Ein als M2SPC bekannter Multilevelkonverter, synonym auch modularer Multilevelumrichter, veröffentlicht in Goetz, S.M., Peterchev, A.V., Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215 (2015), doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225, erlaubt bspw. eine Verschaltung nicht nur des Energiespeichers eines jeweiligen Batteriemoduls, sondern auch mit Energiespeichern weiterer mit dem jeweiligen Batteriemodul verschalteter Batteriemodule. Im Gegensatz zu konventionellen elektrischen Antrieben erzeugt die modulare Wechselstrombatterie keine Gleichspannung, aus der sich ein Verbraucher mit Energie versorgt. Stattdessen erzeugt die modulare Wechselstrombatterie die N-phasige Wechselspannung für mindestens eine elektrische Elektromaschine. So kann bspw. die modulare N-phasige Wechselstrombatterie als modulare drei-phasige Wechselstrombatterie gewählt werden, bei dem die Anzahl M eines Vielfachen von drei Batteriemodulen als die Anzahl achtzehn gewählt wird, wodurch sich drei Stränge mit jeweils sechs Batteriemodulen des modularen Multilevelkonverters ergeben. Es sind aber auch andere Aufteilungen denkbar. Ordnet man bspw. zwei Batteriemodule gemeinsam zu einem Doppelmodul an, verbleiben bspw. neun Doppelmodule und die Managementsystembox, die es in dem Gesamtsystemgehäuse zu integrieren gilt. Batteriemodule einer Phase bzw. eines jeweiligen Strangs sind dabei elektrisch untereinander direkt verbunden bzw. verkabelt und geometrisch benachbart zueinander angeordnet. Im modularen Multilevelkonverter vorgesehene Schaltelemente erlauben es, Energiespeicher der Batteriemodule eines jeweiligen Strangs, d. h. einer jeweiligen Phase zueinander seriell und/oder parallel zu schalten oder einzelne Energiespeicher zu überbrücken (bypassen). Einzelne Phasen wiederum sind auf einer Seite der jeweiligen Stränge bei einer Sternschaltung zu einem sogenannten Sternpunkt zusammengeschaltet und bei einer Delta-Verschaltung an ihren jeweiligen Enden zusammengeschaltet. Die erfindungsgemäß vorgesehene geometrisch benachbarte Anordnung der Batteriemodule entlang der Abfolge der Reihenschaltung der Batteriemodule erlaubt es, einen Wechselstrom führende lange elektrische Leitungen zu vermeiden. Dadurch wird einer Anforderung zur Vermeidung von Spannungsverlusten und einer Anforderung an eine elektromagnetische Verträglichkeit, abgekürzt als EMV bezeichnet, Rechnung getragen. So werden nicht erwünschte parasitäre Induktivitäten langer elektrischer Leitungen des Batteriegesamtsystems, welche in Serie mit Elektromaschinenwicklungen geschaltet sind, die selbst wieder Induktivitäten aufweisen, die insgesamt zu einem effektiven Spannungsverlust führen, unterbunden. Vorteilhaft sind kurze Leitungen auch auf Grund einer durch den vorliegenden Wechselstrom in Zusammenwirkung mit einer bspw. umliegenden leitenden Karosserie und zumeist auch Kabelschirmung hervorgerufenen hohen kapazitiven Kopplung, welche zu hohen Strömen in Richtung Fahrzeugmasse führen kann. Durch diese hohen Ströme könnte es bei langen Leitungen einerseits zu Verlusten und EMV, andererseits zu sicherheitsrelevanten Leckströmen kommen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt daher eine Lösung bereit, welche die einzelnen Bauteile platzsparend bei möglichst geringer, d. h. minimaler jeweiliger Länge der von dem Batteriegesamtsystem umfassten Leitungen integriert, und daher die EMV minimiert.
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Die Batteriemodule können aus Energiezellen jeglicher Art gebildet sein, bspw. aus prismatischen Zellen oder aus Pouchzellen, also quasi gehäusefrei, oder aus zylindrischen Rundzellen oder sonst denkbaren zukünftigen Zellformen. In einem Betrieb, bspw. als Traktionsbatterie eines Elektro- oder eines Hybridfahrzeugs, kommt es in der Regel in den Batteriemodulen zu einer Erzeugung von Wärme, die aus den Batteriemodulen abgeführt werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt durch die Anordnung der mindestens einen Kühlplatte unter einer jeweiligen mindestens ein Batteriemodul aufweisenden bzw. tragenden Platte des Gesamtsystemgehäuses eine integrierte Kühlung bereit, welche gleichzeitig die Koexistenz der strangweisen bzw. phasenweisen Verbindung der eine jeweilige Wechselstromphase erzeugenden Batteriemodule ermöglicht. Zudem ist durch das modulare Konzept, bei dem Batteriemodule und weiter auch die Managementsystembox integriert werden, eine einfache räumliche Erweiterung des Gesamtsystems bzw. des Gesamtsystemgehäuses möglich. Im Gegenzug ermöglicht das modulare Konzept aber auch innerhalb des Gesamtsystemgehäuses eine enge Packweise der einzelnen Bauteile, so dass Leerräume vermieden werden. Vorteilhaft werden so leistungsintensive Komponenten, wie die Batteriemodule und einzelne Managementsysteme, gemeinsam gekühlt.
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Schnittstellen des Gesamtsystems nach außen werden bspw. durcheine Ausleitung der jeweilige Wechselstromphase hin zur Elektromaschine, durch Kühlanschlüsse, bspw. für Kühlmittelleitungen, durch eine Schnittstelle zur Ladebuchse oder durch eine Schnittstelle des Zentralcontrollers zu einem Systembus des Fahrzeugs gebildet.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gesamtsystemgehäuse und dessen Schnittstellen gegenüber Umwelteinflüssen, bspw. Feuchtigkeit oder Staub, als dicht gestaltet. Vorteilhaft wird dies durch die enge Packweise der im Gesamtsystemgehäuse integrierten Bauteile befördert, was durch die enge Verschaltung der Batteriemodule untereinander und auch mit Managementsystemen der Managementsystembox ermöglicht wird. Dies verringert weiter vorteilhaft eine Zahl der nötigen Schnittstellen nach außen und somit auch Möglichkeiten für gegen Umwelteinflüsse undichte Stellen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Batteriemanagementsystem zusätzlich mindestens einen Gleichspannungswandler auf. Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, bei denen es sich um ein Auto handeln kann, Schiffe, Flugzeuge und weitere Fortbewegungsmittel verfügen gemeinhin neben einem Hochvoltsystem, welches ein Antriebssystem speist, auch über weitere Energieversorgungssysteme zumeist im Niedervoltbereich. Über den Gleichspannungswandler, bspw. an den Sternpunkt der Stränge angeschlossen, sowie einer mit ihm verbundenen Schnittstelle können so Gleichspannungsverbraucher von bspw. 12 V, 48 V oder 400 V, insbesondere Niedervoltverbraucher versorgt werden.
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In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die Managementsystembox zusätzlich ein Isolationswächter integriert. Der Isolationswächter dient einer Systemsicherheit und detektiert eventuell vorhandene Isolationsschäden, welche zu einer am Gesamtsystemgehäuse anliegenden Spannung führen können.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine Kühlplatte als Kühlkörper, kühlmitteldurchflossene Kühlplatte, Peltier-Element, Wärmerohr, oder mit einer weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Entwärmungstechnik oder Kombinationen davon gebildet.
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In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zwischen und/oder über den Batteriemodulen mindestens eine wärmeabführende oder wärmezuführende Platte angeordnet. Da die Batteriezellen der Batteriemodule nur in einem begrenzten Temperaturbereich einwandfrei arbeiten und im Betrieb Wärme erzeugen, wird gemeinhin eine wärmeabführende Technologie aus dem Stand der Technik eingesetzt. Jedoch ist es bei sehr kalten Temperaturen, bspw. im Winter, auch denkbar, zu einem Betriebsstart eine Leistungsfähigkeit der jeweiligen Energiezellen der Batteriemodule durch Erwärmung zu erhöhen. Vorteilhaft ist hier eine unmittelbare Nähe der mindestens einen wärmezuführenden Platte zu den jeweiligen Energiezellen bzw. den jeweiligen die Energiezellen umfassenden Batteriemodulen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der Managementsystembox zusätzlich Bauteile mit folgenden Funktionen integriert: Motorsteuerung, Schützmanagement, Batterielebensdaueranalyse, Batteriethermomanagement, Batteriebalancing, d. h. Leistungsausgleich zwischen Energiezellen jeweiliger Batteriemodule, Strom- und/oder Spannungssensorik. In der Regel umfasst die Managementsystembox alle notwendigen Bauteile zu einem sicheren Betrieb, wobei eine Aufteilung der genannten Bauteile bzw. der damit zu realisierenden Funktionen zwischen Batteriemanagementsystem und Lademanagementsystem teilweise fließend ist. So gehören bspw. die Motorschütze, welche sich jeweilig an einem Ende eines jeweiligen Stranges befinden können, zum Batteriemanagementsystem, müssen aber bei einem vom Lademanagementsystem zu überwachenden bzw. überwachten Ladevorgang geöffnet werden.
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Bei dem voranstehend erwähnten Beispiel mit drei Strängen zu jeweils drei Doppelmodulen würde das Lademanagementsystem bspw. zwei Kurzschlussschütze, zwei Gleichspannungsladeschütze und vier Wechselspannungsladeschütze umfassen. Da die Managementsystembox innerhalb des Gesamtsystemgehäuses integriert ist, muss sie selbst nicht über flächig geschlossene Wände verfügen, so dass bspw. Seitenwände an notwendigen Stellen, z. B. zu Verbindungen zwischen Bauteilen innerhalb des Gesamtsystemgehäuses oder mit bzw. zu Schnittstellen, ausgespart sein können oder gleich ganz entfallen können.
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Ferner wird ein Gesamtsystem zu einer Systemintegration für eine modulare N-phasige Wechselstrombatterie beansprucht, bei dem ein Batteriegesamtsystem als Bauteile einen modularen Multilevelkonverter, eine Managementsystembox, mindestens eine Kühlplatte und nach außen, d. h. von außen zugängliche jeweilige Schnittstellen zu den jeweiligen Bauteilen umfasst, bei dem der modulare Multilevelkonverter eine Anzahl M mal N Batteriemodulen umfasst, bei dem jeweils M Batteriemodule einen jeweiligen eine Wechselstromphase erzeugenden Strang bilden und in diesem Strang in Reihe verschaltet bzw. verkabelt sind, bei dem die jeweiligen M Batteriemodule eines jeweiligen Strangs zueinander geometrisch benachbart entlang einer Abfolge der Reihenschaltung angeordnet sind, bei dem in die Managementsystembox ein Batteriemanagementsystem und ein Lademanagementsystem integriert ist, bei dem das Batteriemanagementsystem mindestens einen Zentralcontroller, d. h. eine zentrale Steuereinheit, pro Strang eine Strangsicherung und ein Strangstrommessungsmodul, sowie zu N-1 Strängen jeweils einen Motorschütz umfasst, bei dem das Lademanagementsystem mindestens eine Spannungsmessplatine, mindestens einen Kurzschlussschütz, mindestens einen Gleichspannungsladeschütz und mindestens einen Wechselspannungsladeschütz umfasst, wobei die Bauteile des Batteriegesamtsystem auf mindestens einer metallischen Platte angeordnet sind, wobei unterhalb einer jeweiligen ein Batteriemodul aufweisenden metallischen Platte die mindestens eine Kühlplatte angeordnet ist, und wobei das Batteriegesamtsystem in ein Gesamtsystemgehäuse integriert ist.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gesamtsystems umfasst die Managementsystembox zusätzlich Bauteile mit den Funktionen aus folgender Liste: Gleichspannungswandler, Isolationswächter, Motorsteuerung, Schützmanagement, Batterielebensdaueranalyse, Batteriethermomanagement, Batteriebalancing, Strom- und/oder Spannungssensorik.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gesamtsystems ist die mindestens eine Kühlplatte eine kühlmitteldurchflossene Kühlplatte und/oder umfasst mindestens einen Kühlkörper und/oder mindestens ein Peltier-Element und/oder mindestens ein Wärmerohr.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems in Kopplung an einen Elektromotor und eine Ladebuchse.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eine prinzipielle Verknüpfung von Batteriemodulen eines Multilevelkonverters zu einem ersten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystem.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des ersten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems.
- 4 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer Managementsystembox des ersten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems.
- 5 zeigt in schematischer Darstellung eine prinzipielle Verknüpfung von Batteriemodulen eines Multilevelkonverters zu einem zweiten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystem.
- 6 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des zweiten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems.
- 7 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer Managementsystembox des zweiten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems.
- 8 zeigt in schematischer Darstellung eine prinzipielle Verknüpfung von Batteriemodulen eines Multilevelkonverters zu einem dritten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystem.
- 9 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des dritten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems.
- 10 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer Managementsystembox des dritten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems.
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In 1 wird ein schematischer Aufbau 100 eines erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 101 in Kopplung an einen Elektromotor 105 und eine Ladebuchse 106 gezeigt. Das Gesamtsystem 101 umfasst einen Multilevelkonverter 102, eine Ladeelektronik bzw. ein Lademanagementsystem 103, und ein Batteriemanagementsystem 104. Die Ladeelektronik 103 ist über eine Schnittstelle am Gesamtsystemgehäuse des Gesamtsystems 101 mit der Ladebuchse 106 verbunden, wobei die Ladeelektronik 103 innerhalb des Gesamtsystemgehäuses mit der Schnittstelle elektrisch gekoppelt ist. Der Multilevelkonverter 102 ist über eine weitere Schnittstelle am Gesamtsystemgehäuse des Gesamtsystems 101 mit dem Elektromotor 105 verbunden, wobei der Multilevelkonverter 102 innerhalb des Gesamtsystemgehäuses mit der Schnittstelle elektrisch gekoppelt ist. In den folgenden Figuren sind jeweils Lademanagementsystem 103 und Batteriemanagementsystem 104 von einem Managementsystem bzw. einer Managementsystembox umfasst.
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In 2 wird in schematischer Darstellung eine prinzipielle Verknüpfung 110 von Batteriemodulen 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33 des Multilevelkonverters 102 (siehe 1) in einem ersten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystem als Draufsicht gezeigt. Für eine bessere Übersicht wurden der Multilevelkonverter 102 und das Managementsystem bzw. die Managementsystembox 4 in einer Ebene angeordnet. Eine erste elektrische Leitung 111 und eine zweite elektrische Leitung 112 führen aus dem Managementsystem 4 heraus und bilden einen ersten und einen zweiten Sternpunkt, der jeweilig mit den Batteriemodulen 13, 23 und 33 verbunden ist. Insgesamt bilden die Batteriemodule drei Stränge. Ein erster Strang wird durch die Batteriemodule 11, 12 und 13, ein zweiter Strang durch die Batteriemodule 21, 22, 23 und ein dritter Strang durch die Batteriemodule 31, 32 und 33 gebildet. Bei Reihenverschaltung der Batteriemodule eines jeweiligen Strangs wird schließlich ein jeweiliges Signal, welches eine jeweilige Wechselspannungsphase bildet, aus dem jeweiligen Batteriemodul 11, 21, 31 wieder zum Managementsystem 4 geführt.
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In 3 wird in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des ersten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 120 gezeigt. Das Batteriegesamtsystem, welches neun Doppelmodule 2 und eine Managementsystembox 14 umfasst, ist in zwei Schichten, d. h. eine untere Schicht und eine obere Schicht, in ein Gesamtsystemgehäuse 10 integriert. In der unteren Schicht befinden sich fünf Doppelmodule 2, darüber in der oberen Schicht vier Doppelmodule 2, wobei in der oberen Schicht mittig zwischen je zwei Doppelmodulen 2 die Managementsystembox 14, welche das Batteriemanagementsystem und das Lademanagementsystem umfasst, angeordnet ist. Sowohl die jeweiligen Doppelmodule 2 als auch die Managementsystembox 14 sind auf mindestens einer metallischen Platte angeordnet, d. h. eine jeweilige Unterseite einer jeweiligen Schicht wird durch mindestens eine metallische Platte gebildet. Für jede Schicht ist, hier nicht sichtbar, an einer jeweiligen Unterseite der jeweiligen Schicht, d. h. an der jeweiligen mindestens einen metallischen Platte der jeweiligen Schicht mindestens eine Kühlplatte vorgesehen.
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In 4 wird in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht 130 der Managementsystembox 14 des ersten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 120gezeigt. Die Managementsystembox 14 ist beispielhaft in drei Lagen aufgeteilt. In der untersten Lage sind zwei Gleichspannungswandler 44, bspw. zur Bereitstellung zweier unterschiedlicher Gleichspannungen, z. B. 12 V und 48 V oder 12 V und 400 V oder 48 V und 400 V, angeordnet. Bei einem metallischen Trägermaterial der Managementsystembox 14 können die Gleichspannungswandler 44 durch einen Boden der Managementsystembox 14 von der an der Unterseite der oberen Schicht angeordneten mindestens einen Kühlplatte des Gesamtsystemgehäuses 10 mitgekühlt werden. In der mittleren Lage der Managementsystembox 14 sind alle Schütze angeordnet, also hier bspw. zwei Schütze 43 für zwei zu einem an das Gesamtsystem anzuschließenden Elektromotor laufende Wechselstromphasen, sowie Kurzschlussschütze und Ladeschütze für Gleichspannungsladen und Wechselstromladen 45. Die oberste Lage der Managementsystembox 14 nimmt einen Zentralcontroller 41, d. h. eine zentrale Steuereinheit, und eine Spannungsmessplatine 42 auf. Wenn auch hier in der perspektivischen Ansicht nicht sichtbar, werden zusätzlich noch weitere Managementsysteme, wie bspw. ein Isolationswächter und bei drei Wechselstromphasen des Multilevelkonverters entsprechend drei Strangsicherungen mit drei Strangstrommessungsmodulen, in der Managementsystembox 14 angeordnet. Da sich die Managementsystembox 14 innerhalb eines gegen Umwelteinflüsse abgedichteten Gesamtsystemgehäuses 10 befindet, muss sie selbst nicht unbedingt geschlossene Seitenwände aufweisen.
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In 5 wird in schematischer Darstellung eine prinzipielle Verknüpfung 210 von Batteriemodulen 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33 des Multilevelkonverters 102 (siehe 1) in einem zweiten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystem als Draufsicht gezeigt. Für eine bessere Übersicht wurden der Multilevelkonverter 102 und das Managementsystem 4 in einer Ebene angeordnet. Prinzipiell ist eine Leitungsführung vom Managementsystem 4 durch die Batteriemodule 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33 und wieder als jeweilige Wechselstromphasen zum Managementsystem 4 zurück gleich zu der, die schon in 2 dargestellt wurde. Die grundsätzliche Anordnung erfolgt hier jedoch in drei Schichten, wobei jede Schicht einer jeweiligen durch den Multilevelkonverter 102 bzw. durch die jeweiligen Batteriemodule bzw. durch die jeweiligen durch die Batteriemodule gebildeten Stränge realisierten Wechselstromphase und damit einem jeweiligen Strang entspricht. Damit bilden die Batteriemodule 11, 12, 13 eine erste Schicht, die Batteriemodule 21, 22, 23 eine zweite Schicht, und die Batteriemodule 31, 32, 33 eine dritte Schicht.
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In 6 wird in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des zweiten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 220 gezeigt. Das Batteriegesamtsystem, welches neun Doppelmodule 2 und die Managementsystembox 24 umfasst, ist entsprechend den Wechselstromphasen bzw. Strängen in drei Schichten zu je drei Doppelmodulen 2 in das Gesamtsystemgehäuse 20 integriert. Zu sehen ist in 6 nur die oberste Schicht mit drei Doppelmodulen 2 eines Strangs. Seitlich zu den drei Schichten ist die Managementsystembox 24 positioniert. Unter einer jeweiligen Schicht befindet sich mindestens eine jeweilige metallische Platte des Gesamtsystemgehäuses 20, unter der jeweils mindestens eine Kühlplatte angeordnet ist. Unter einer Bodenplatte des Gesamtsystemgehäuses 20 erstreckt sich eine Kühlplatte bis in den seitlichen Bereich, über dem sich die Managementsystembox 24 befindet, so dass deren Boden mitgekühlt wird.
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In 7 wird in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht 230 der Managementsystembox 24 des zweiten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 220 gezeigt. Die Managementsystembox 24 ist beispielhaft in vier Lagen aufgeteilt. In der untersten Lage sind zwei Gleichspannungswandler 44, bspw. zur Bereitstellung zweier unterschiedlicher Gleichspannungen, z. B. 12 V und 48 V oder 12 V und 400 V oder 48 V und 400 V, angeordnet. Bei einem metallischen Trägermaterial der Managementsystembox 24 können die Gleichspannungswandler 44 durch die Kühlung unter der Bodenplatte des Gesamtsystemgehäuses 20 mitgekühlt werden. In der zweituntersten Lage werden Strangsicherungen, Strangstrommessungsmodule und die Motorschütze 43 angeordnet. Eine Lage darüber befinden sich die Lade- und Kurzschlussschütze 45, sowie die Spannungsmessplatine 42 als Bestandteil des Lademanagements. Auf der obersten Lage befindet sich der Zentralcontroller 41. Weiter ist noch, hier nicht sichtbar, der Isolationswächter verbaut.
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In 8 wird in schematischer Darstellung eine prinzipielle Verknüpfung 310 von Batteriemodulen 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33 des Multilevelkonverters 102 (siehe 1) in einem dritten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystem 320 als Draufsicht gezeigt. Für eine bessere Übersicht wurden der Multilevelkonverter 102 und das Managementsystem 4 in einer Ebene angeordnet. Prinzipiell ist eine Leitungsführung vom Managementsystem 4 durch die Batteriemodule 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33 und wieder als jeweilige Wechselstromphasen zum Managementsystem 4 zurück gleich zu der, die schon in 2 oder in 5 dargestellt wurde. Die grundsätzliche Anordnung erfolgt hier auch ähnlich zu 5 in drei Schichten, und weiterhin, wie in 5, befinden sich in den beiden unteren Schichten Batteriemodule 11, 12, 13 und Batteriemodule 21, 22, 23 eines jeweiligen Stranges entsprechend einer jeweiligen Wechselstromphase. Jedoch sind die Batteriemodule 31, 32, 33 des dritten Stranges auf die jeweiligen Schichten verteilt angeordnet, so dass sich auf den beiden unteren Schichten insgesamt jeweils vier Batteriemodule 11, 12, 13, 33 bzw. 21, 22, 23, 32 befinden und in der obersten nur ein Batteriemodul 31, dafür aber das Managementsystem 4 vorhanden ist.
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In 9 wird in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des dritten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 320 gezeigt. Das Batteriegesamtsystem, welches insgesamt neun Doppelmodule 2 und die Managementsystembox 34 umfasst, ist entsprechend zweier Wechselstromphasen bzw. Strängen in zwei unteren Schichten (bei insgesamt drei Schichten) zu je drei Doppelmodulen 2 in das Gesamtsystemgehäuse 30 integriert. Senkrecht hierzu ist als dritter Strang jeweils in einer Schicht ein Batteriemodul 33, 32, 31 (siehe 8) integriert. Zu sehen ist in 9 nur die oberste Schicht mit einem Doppelmodul 2 (entsprechend dem Batteriemodul 31 aus 8) und der Managementsystembox 34. Durch die Gestaltung des Gesamtsystemgehäuses 30 entspricht die Grundfläche der Managementsystembox 34 der dreifachen Grundfläche eines Doppelmoduls 2. Da sich erfindungsgemäß unter einer jeweiligen Schicht mindestens eine jeweilige metallische Platte des Gesamtsystemgehäuses 30 und darunter mindestens eine jeweilige Kühlpatte befindet, kann die Managementsystembox 34 mitgekühlt werden. Eine Schnittstelle 35 für eine Gleichspannungsversorgung befindet sich oben mittig an einer Seitenwand des Gesamtsystemgehäuses 30 in der Nähe beider Gleichspannungswandler (siehe 10). Durch die benachbarte Verbauung werden Verkabelungswege bzw. Leitungen im Innern des Gesamtsystemgehäuses 30 kurz gehalten. Andere Anschlüsse bzw. Schnittstellen befinden sich, in der gezeigten Ansicht nicht sichtbar, auf der abgewandten Längsseite des Gesamtsystemgehäuses 30, um auch hier eine größtmögliche Nähe zu einem jeweiligen in der Managementsystembox verbauten Managementsystem aufzuweisen.
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In 10 wird in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht 330 der Managementsystembox 34 des dritten erfindungsgemäß ausgestalteten Gesamtsystems 320 gezeigt. Die Managementsystembox 34 weist nur eine einzige Lage auf, deren Boden durch die Anordnung in dem Gesamtsystemgehäuse 30 (siehe 9) gekühlt werden kann. In der Managementsystembox 34 sind zwei Gleichspannungswandler 44, bspw. zur Bereitstellung zweier unterschiedlicher Gleichspannungen, z. B. 12 V und 48 V oder 12 V und 400 V oder 48 V und 400 V, in größtmöglicher Nähe zu den beiden Sternpunkten des Batteriegesamtsystems angeordnet. In der zweituntersten Lage werden Strangsicherungen, Strangstrommessungsmodule und die Motorschütze 43 angeordnet. In einer Reihe in der Mitte der Managementsystembox 34 befinden sich alle Schütze des Lademanagements, d. h. die Schütze 46 für Gleichstromladen und die Schütze 48 für Wechselstromladen. Auf einer Seite dieser Reihe an Schützen befindet sich die Spannungsmessplatine 42 als Bestandteil des Lademanagements. Die beiden Kurzschlussschürze 47 und die Motorschütze 43 sind auf der anderen Seite am Rand der Managementsystembox 34 angeordnet. Dort ist auch Freiraum für die drei Strangsicherungen und die drei Strangstrommessungsmodule. Direkt daneben befindet sich der Zentralcontroller 41 und benachbart an einer Wand der Isolationswächter 49. Der gezeigte Aufbau sowohl der Managementsystembox 34 wie auch deren Anordnung im Gesamtsystemgehäuse 30 ermöglicht eine gute Zugänglichkeit für Wartung und/oder Fehlersuche bei gleichzeitig kurzen Leitungswegen und gleicher Größe der Kühlplatten auf allen drei Schichten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 204167432 U [0003]
- DE 10217889 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Goetz, S.M., Peterchev, A.V., Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control“, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215 (2015) [0011]
