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Die Erfindung geht aus von einem elektromechanischen Spannungsadapter für einen Hochvoltanschluss eines Steuergeräts eines elektrochemischen Energiespeichers umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle, umfassend eine Mehrzahl von ersten elektromechanischen Anschlüssen, um den Spannungsadapter mit elektrischen Leitungen zu verbinden, eine Mehrzahl von zweiten elektromechanischen Anschlüssen, um den Spannungsadapter mit dem Hochvoltanschluss des Steuergeräts zu verbinden sowie einer Verwendung des elektromechanischen Spannungsadapters in elektrischen Energiespeichersystemen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Batterien für Fahrzeuge und stationäre Anwendungen, heutzutage hauptsächlich basierend auf elektrochemischen Zellen mit Lithium-Ionen-Technologie, weisen nach dem Stand der Technik ein Batterie Management System auf (BMS). Das Batterie Management System besteht nach dem Stand der Technik beispielsweise aus einem Hauptsteuergerät der Batterie (BCU - Battery Control Unit) und mehreren Modulcontrollern (CSC - Cell Supervision Circuit). Die Modulcontroller sind über eine Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise einen CAN-Bus, mit dem Hauptsteuergerät verbunden. Die Aufgaben der Modulcontroller sind beispielsweise die Einzelzellspannungsmessung, die Temperaturmessung der Zellen und ein Ladezustandsausgleich der einzelnen Zellen. Die Modulcontroller erhalten von dem Hauptsteuergerät beispielsweise das Kommando einen Ladezustandsausgleich zwischen Zellen zu starten und zu beenden. Des Weiteren erhält das Hauptsteuergerät über die Kommunikationsleitung, beispielsweise einen CAN-Bus, wichtige Zustandsinformationen der Zellen, wie Zellspannungen und Zelltemperaturen. Das Hauptsteuergerät kommuniziert wiederum mit dem elektrischen Antriebsstrang, beispielsweise mit den zugehörigen Steuergeräten in einem Fahrzeug, über eine weitere Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise einen weiteren CAN-Bus.
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Das Hauptsteuergerät hat nach dem Stand der Technik einen Niedervolt-Teil (NV) und einen Hochvolt-Teil (HV). Das ist zum· Beispiel dadurch realisiert, dass im Gehäuse des Hauptsteuergeräts eine Platine beinhaltet ist, welche zwei Bereiche aufweist, einen Hochvolt- und einen Niedervoltbereich. Diese beiden Bereiche sind voneinander galvanisch getrennt, damit der Niedervolt-Teil, welcher auch am 12Volt-Fahrzeugbordnetz angeschlossen ist, beispielswiese für die Energieversorgung des Niedervolt-Teils, einen hohen elektrischen Isolationswiderstand gegenüber dem Hochvolt-Teil aufweist. An den Hochvolt-Teil ist der Hochvoltteil der Batterie angeschlossen. Der Hochvolt-Teil und der Niedervolt-Teil auf der Platine des Hauptsteuergeräts sind beispielsweise optoelektronisch gekoppelt, damit ein Controller der Niedervolt-Seite mit einem Controller der Hochvolt-Seite kommunizieren kann.
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Die Modulcontroller sind üblicherweise ebenfalls auf diese Art realisiert, also auch auf ihrer Platine in Hochvolt-Teil und Niedervolt-Teil aufgeteilt.
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Der Niedervolt-Teil des Hauptsteuergeräts übernimmt beispielsweise eine Kommunikation mit den Modulcontrollern, eine Kommunikation mit dem Fahrzeug, eine Energieversorgung des Niedervolt Teils der Modulconroller, eine Steuerung von Komponenten im Fahrzeug, beispielsweise Wasserpumpen des Kühlsystems und/oder empfängt weiteren elektrische Signale, beispielsweise einen Airbag-Stromimpuls zur Notabschaltung des Batteriesystems.
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Der Hochvolt-Teil des Hauptsteuergeräts übernimmt beispielsweise Spannungsmessungen im Hochvoltteil der Batterie, Zustandsdiagnosen von Schützen und Schmelzsicherungen, eine Versorgung des Hochvolt-Teils des Hauptsteuergeräts mit Energie, eine Isolationswiderstandsmessung, eine Kommunikation und Versorgung weiterer Komponenten im Hochvolt-Teil der Batterie, beispielsweise eine Energieversorgung eines galvanisch in den Hochvoltpfad der Batterie angeschlossen Shunt-Stromsensors,
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Das Hauptsteuergerät ist für einen bestimmten Spannungsbereich des Batteriesystems ausgelegt, beispielsweise eine Klemmenspannung im Leerlauf (OCV - open circuit voltage) von 430 Volt. Das Design des Hochvolt-Teil des Hauptsteuergeräts ergibt sich aus diesem Spannungsbereich, insbesondere hinsichtlich implementierter Luft- und Kriechstrecken auf der Platine, Material- und Bauteileauswahl für den Hochvolt-Teil, einer Auswahl der Steckverbinder an der Platine, einer Dimensionierung der Platine zur Erreichung einer dielektrischen Durchschlagfestigkeit und zum Einhalten des geforderten Isolationswiderstands zum Niedervolt-Teil sowie eine Dimensionierung von DC/DC-Wandlern Batteriesteuergerät-intern, um Spannungen zu erzeugen, um an den Hochvolt-Teil des Hauptsteuergeräts angeschlossenen Komponenten, wie beispielsweise einen Shunt-Stromsensor, mit Energie zu versorgen.
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Ein Hauptsteuergerät kann somit generell nur in der Spannungsklasse verwendet werden, für die es ausgelegt ist, beispielsweise eine Klemmenspannung im Leerlauf bis 430 Volt. Bauvariantenspezifische Anforderungen erfordern häufig umfangreiche Änderungen, beispielsweise bei geänderten Anforderungen an einen erforderlichen Spannungsbereich. Diese Änderungen sind teuer, zeitintensiv und verwerfen die bereits in einer Felderprobung gesammelten Zuverlässigkeitsergebnisse eines Steuergeräts.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der elektromechanische Spannungsadapter eine elektronische Schaltung umfasst, um eine an den ersten elektromechanischen Anschlüssen anliegendes erste Spannung in eine zweite Spannung zu wandeln, die niedriger als die erste Spannung ist, und an den zweiten Anschlüssen auszugeben.
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Mit dem erfindungsgemäßen Spannungsadapter kann ein Steuergerät, welches für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt ist, beispielsweise für eine Klemmenspannung im Leerlauf von 430 Volt, ohne bauliche Veränderung für ein neues Batteriepack mit höheren Spannungen verwendet werden, wodurch der Reifegrad und damit die Sicherheit weiter erhöht wird.
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Die elektronische Schaltung umfasst einen Spannungsteiler mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen. Dadurch kann ein festes Verhältnis der ersten Spannung zur zweiten Spannung vorgegeben werden und unter Last die zweite Spannung stabil bei gleichzeitig nur geringer Abwärme erzeugt werden.
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Die elektronische Schaltung umfasst einen Spannungsteiler mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen und einen zwischen zumindest zwei der Widerstände in Serie geschalteten Transistor, insbesondere einen gegengekoppelten pnp-Transistor. Vorteilhafterweise entspricht ein Potenzialunterschied der Spannung zwischen Basis und Kollektor des pnp-Transistors.
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Die elektronische Schaltung umfasst eine Ansteuerschaltung, mittels der ein Arbeitspunkt des Transistors eingestellt werden kann. Durch Vorgabe eines Arbeitspunkts lässt sich der Potenzialunterschied zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung vorgeben, beispielsweise bei Verwendung eines pnp-Transistors, wodurch bauvariantenspezifische Anpassungen ohne vergleichsweise großen Auswand umgesetzt werden können.
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Die elektronische Schaltung umfasst einen Spannungsteiler mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen und einen zwischen die Widerstände parallelgeschalteten Transistor, insbesondere einen selbstleitenden Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET). Der IGFET funktioniert als spannungsgesteuerter Widerstand mit dem die zweite Spannung variabel vorgebbar ist. Aufgrund eines hohen Eingangswiderstands ist eine leistungsarme Steuerung möglich. Weiter ist eine Herstellung der Schaltung vergleichsweise einfach und benötigt wenig Bauraum, was insbesondere bei Fahrzeugen vorteilhaft ist.
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Vorteilhafterweise wird die Wandlung in Abhängigkeit eines Betriebszustands der mindestens einen elektrochemischen Zelle durchgeführt. Dadurch können elektrische Spannungsschwankungen im Betrieb des Energiespeichers, beispielsweise aufgrund von Laständerungen, ausgeglichen werden.
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Ein erfindungsgemäßer elektromechanischer Spannungsadapter wird vorteilhafterweise in elektrischen Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrochemischen Energiespeichersystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters;
- 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters;
- 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrochemischen Energiespeichersystems. Das elektrochemische Energiespeichersystem 100 umfasst eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern 101, 102, die eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 103(1), 103(n), 104(1), 104(n) umfassen. Mittels elektronischer Schaltungen 105, 106 werden physikalische Eigenschaften der elektrochemischen Zellen 103(1), 103(n), 104(1), 104(n) fortlaufend erfasst und an ein Steuergerät 110 übertragen. Dazu sind die elektronischen Schaltungen 105, 106 über eine Niedervolt-Schnittstelle 111 mit dem Steuergerät 110 elektrisch verbunden, beispielsweise in Sternschaltung und/oder mittels eines sequentiellen Bussystems. Das Steuergerät 110 umfasst ferner eine Hochvolt-Schnittstelle 112, welche zumindest teilweise elektromechanisch mit einem erfindungsgemäßen Adapter 113 verbunden ist. Das Steuergerät 110 erfasst mittels der Hochvolt-Schnittstelle elektrische Stromflüsse, beispielsweise mittels Shunt-Widerständen 109, und Spannungen, beispielsweise durch einen direkten Spannungsabgriff, des Energiespeichersystems 100. Weiter umfasst das Energiespeichersystem 100 elektrische Anschlusspole 114(a), 114(b) zum elektrischen Verbinden des Energiespeichersystems 100 mit elektrischen Verbrauchern, beispielsweise einem elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Mittels elektrischer Schalter 107(1), 107(2) können die Anschlusspole 114(a), 114(b) spannungsfrei geschaltet werden. Ein Vorladekreis umfasst einen Schalter 107(3) und einen Vorladewiderstand 108.
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Der Adapter 113 umfasst eine Mehrzahl von ersten Anschlüssen A, B, C, D und zweiten Anschlüssen A', B', C', D'. An die ersten Anschlüsse A, B, C, D elektrisch angeschlossenen Leitungen werden zumindest teilweise durch den Adapter 113 geführt. Der Adapter 113 umfasst eine elektrische und/oder elektronische Schaltung, mittels der ein Spannungsbereich des Batteriesystems 100, beispielsweise zwischen 0 Volt und 800 Volt, auf einen zulässigen Spannungsbereich des Steuergerät 110, beispielsweise zwischen 0 Volt und 430 Volt, abgebildet wird.
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Durch den erfindungsgemäße Adapter 113 kann ein Typ des Steuergeräts 110 in mindestens einer weiteren Spannungsklasse verwendet werden. Dadurch ist keine Anpassung des Steuergeräts 110 an neue Batteriesysteme 100 notwendig, wodurch eine im Vergleich zum Stand der Technik günstigere und weniger zeitintensive Entwicklung erreicht wird. Durch eine Verwendung von gesammelten Zuverlässigkeitsergebnissen in der Felderprobung steigt ein Reifegrad des Steuergeräts 110, wodurch eine Sicherheit des Batteriesystems 100 steigt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters. Der erfindungsgemäße Spannungsadapter 113 umfasst in der ersten Ausführungsform eine elektrische Schaltung mit zwei in Serie geschalteten Widerständen 205, 206. Eine an den elektromechanischen Anschlüssen A-C anliegende erste elektrische Spannung wird in eine an den elektromechanischen Anschlüssen A'-C' zweite elektrische Spannung gewandelt, die niedriger als die erste elektrische Spannung ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters. Der erfindungsgemäße Spannungsadapter 113 umfasst in der zweiten Ausführungsform eine elektronische Schaltung mit einem Spannungsteiler mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen 305, 306 und einen zwischen zumindest zwei der Widerstände 305, 306 in Serie geschalteten gegengekoppelten pnp-Transistor 307 umfasst, mittels einer Ansteuerschaltung 308 kann ein Arbeitspunkt des Transistors 307 eingestellt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters. Der erfindungsgemäße elektromechanische Spannungsadapter 113 umfasst eine elektronische Schaltung mit einem Spannungsteiler mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Widerständen 405, 406 und einen zwischen die Widerstände 405, 406 parallelgeschalteten Transistor 407 umfasst, insbesondere einen selbstleitenden Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET). Der IGFET funktioniert als spannungsgesteuerter Widerstand mit dem die zweite Spannung variabel vorgebbar ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsadapters. Der erfindungsgemäße Spannungsadapter 113 umfasst in der ersten Ausführungsform eine elektrische Schaltung mit zwei in Serie geschalteten Dioden 505, 506. Eine an den elektromechanischen Anschlüssen A-C anliegende erste elektrische Spannung wird in eine an den elektromechanischen Anschlüssen A'-C' zweite elektrische Spannung gewandelt, die niedriger als die erste elektrische Spannung ist. In einer alternativen Ausführungsform wird ein Widerstand in Serie zur Diode 505 geschaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Diode 505 und/oder die Diode 506 durch eine Mehrzahl von schaltbaren Dioden ersetzt. Diese schaltbaren Dioden werden von einer Ansteuerschaltung in Abhängigkeit eines Betriebszustands der mindestens einen elektrochemischen Zelle zu- oder weggeschaltet.
