DE102018206058A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Kraftfahrzeug (1), aufweisend wenigstens eine insbesondere einem Elektromotor (2) des Kraftfahrzeugs (1) zugeordnete, elektrische Hochspannungsbatterie (3), die mehrere zum Erhalt einer Nennspannung der Batterie in Serie geschaltete Speicherzellen (4) aufweist, wobei die Speicherzellen (4) in zwei jeweils eine Teilspannung bereitstellende Untergruppen (5, 6) aufgeteilt sind und zwischen den Untergruppen (5, 6) eine Schalteinrichtung (7) vorgesehen ist, über die die Untergruppen (5, 6) von einer Reihenschaltung zum Bereitstellen der Nennspannung in eine Parallelschaltung zum Laden über eine Ladequelle einer Ladespannung, die kleiner als die Nennspannung, aber größer als jede Teilspannung ist, umgeschaltet werden können, wobei jedem Schaltmittel (13, 14, 15) der Schalteinrichtung (7) eine diesem parallel geschaltete Prellschutzanordnung (16) mit wenigstens einem ohmschen Widerstand (17) und einem Schalter (18, 19, 20) zugeordnet ist, wobei bei jedem Öffnen und Schließen eines Schaltmittels (13, 14, 15) zunächst der Schalter (18, 19, 20) der zugeordneten Prellschutzanordnung (16) geschlossen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens eine insbesondere einem Elektromotor des Kraftfahrzeugs zugeordnete, elektrische Hochspannungsbatterie, die mehrere zum Erhalt einer Nennspannung der Batterie in Serie geschaltete Speicherzellen aufweist, wobei die Speicherzellen in zwei jeweils eine Teilspannung bereitstellende Untergruppen aufgeteilt sind und zwischen den Untergruppen eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, über die die Untergruppen von einer Reihenschaltung zum Bereitstellen der Nennspannung in eine Parallelschaltung zum Laden über eine Ladequelle einer Ladespannung, die kleiner als die Nennspannung, aber größer als jede Teilspannung ist, umgeschaltet werden können. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeugs.
• Insbesondere bei Kraftfahrzeugen, die wenigstens teilweise durch einen Elektromotor als Antriebsmittel betrieben werden können, werden als elektrische Energiespeicher Hochspannungsbatterien eingesetzt. Hochspannungsbatterien weisen in der Regel eine Serienschaltung (Reihenschaltung) von Speicherzellen auf, wobei die Anzahl seriell geschalteter Speicherzellen und deren Einzelspannungen die Nennspannung der Hochspannungsbatterie bestimmen. Während ein Teil der bekannten Lösungen für Hochspannungsnetze mit einer Hochspannungsbatterie und einem Elektromotor Nennspannungen von beispielsweise 400 V zum Einsatz bringen, haben sich in vielen Fällen höhere Nennspannungen, beispielsweise von 800 V, als zweckmäßig erwiesen.
• Ein wesentlicher Aspekt, der die Wahl der Nennspannung beeinflusst, ist die Optimierung des Ladevorgangs, insbesondere hinsichtlich der Ladegeschwindigkeit und der verfügbaren Lade-Infrastruktur. Höhere Nennspannungen von Hochspannungsbatterien erlauben eine höhere Ladeleistung und eine kürzere Ladedauer. Dabei existiert allerdings das Problem, dass in der Lade-Infrastruktur auch Ladeeinrichtungen vorliegen, deren maximale Ladespannung auf niedrigere Werte begrenzt ist, beispielsweise auf Werte von 500 V. An derartigen Ladeeinrichtungen kann ein Kraftfahrzeug mit einer 800 V-Hochspannungsbatterie nicht geladen werden.
• Daher wurden im Stand der Technik bereits Lösungen vorgeschlagen, um eine 800 V-Hochspannungsbatterie oder sonstige höhere Nennspannungen, die über den Ladespannungen einiger Ladeeinrichtungen liegen, einsetzbar zu machen. Wird ein Kraftfahrzeug so ausgelegt, dass eine eine niedrigere Nennspannung aufweisende Hochspannungsbatterie, beispielsweise eine 400 V-Hochspannungsbatterie, verwendet wird, können zwar sämtliche Ladeeinrichtungen der Lade-Infrastruktur verwendet werden, allerdings bestehen Nachteile im Hinblick auf die Ladegeschwindigkeit und somit die Ladedauer. Die Verwendung einer Hochspannungsbatterie höherer Nennspannung erlaubt ein schnelleres Laden, bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass an Ladeeinrichtungen niedriger Ladespannung, beispielsweise 500 V-Ladesäulen, nicht geladen werden kann. Die nutzbare Infrastruktur ist somit kleiner.
• Eine Lösung für dieses Problem sieht vor, eine Schalteinrichtung zum Umschalten der Hochspannungsbatterie zu verwenden. Weist eine Hochspannungsbatterie beispielsweise 200 Speicherzellen auf, die in Reihe geschaltet eine Nennspannung von 800 V bereitstellen, können diese 200 Speicherzellen in zwei Untergruppen mit je 100 Speicherzellen aufgeteilt werden, von denen jede aufgrund der in der Untergruppe vorliegenden Reihenschaltung 400 V Teilspannung bereitstellt. Ist die Schalteinrichtung nun in der Lage, von einer Reihenschaltung der Untergruppen zu einer Parallelschaltung der Untergruppen zu wechseln, ist es möglich, auch Ladeeinrichtungen niedrigerer Ladespannung zu verwenden. Allerdings hat sich bei der praktischen Umsetzung herausgestellt, dass bei Vorsehen einer derartigen Ladeeinrichtung mit entsprechenden Schaltmitteln elektrotechnische Ausgleichvorgänge entstehen, die elektrische Oszillationen mit sich bringen, welche wiederum zu Defekten im Batteriesystem führen können. Diese Oszillationen haben sich als schwer beherrschbar erwiesen.
• DE 103 61 743 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Umschaltung einer Niederspannungsbatterie in einem Zweispannungsbordnetz eines Fahrzeugs, wo eine Fremdstarthilfe durch Zuführung einer Hilfsspannung gegeben werden soll. Hierzu wird vorgeschlagen, vorgebbare Gruppen von jeweils in Reihe geschalteten Zellen der Batterie vor dem Beginn des Fremdstarts von einer Reihen- in eine Parallelschaltung umzuschalten und nach erfolgreichem Start wieder in eine vorgebbare Ruheposition, insbesondere eine Reihenschaltung, zu bringen, in der sie von einem zugeordneten Generator versorgt werden können. Probleme durch Ausgleichsvorgänge bei der Umschaltung sind nicht beschrieben.
• DE 10 2015 218 897 A1 betrifft die Verschaltung einer Batterie mit einem ersten Batteriemodul und einem zweiten Batteriemodul sowie mindestens zwei Schalteinheiten, wobei die Schalteinheiten derart gesteuert werden, dass das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul wahlweise in Reihe oder parallel elektrisch miteinander verbindbar sind, so dass eine Batterieausgangsspannung variierbar ist. Darin wird vorgeschlagen, eine Begrenzereinheit vorzusehen, um vor einer Parallelschaltung der Batteriemodule die Spannungen der Batteriemodule einander anzupassen.
• Ein weiteres Batteriesystem, in dem durch Wechsel zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung zwischen einer niedrigen und einer hohen Batteriespannung umgeschaltet werden kann, ist in WO 2007/081495 A2 beschrieben.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Nutzung geringerer Ladespannungen als die Nennspannung einer Hochspannungsbatterie anzugeben, bei der schädigende Prell- und Oszillationseffekte möglichst weitgehend vermieden werden.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass jedem Schaltmittel der Schalteinrichtung eine diesem parallel geschaltete Prellschutzanordnung mit wenigstens einem ohmschen Widerstand und einem Schalter zugeordnet ist, wobei bei jedem Öffnen und Schließen eines Schaltmittels zunächst der Schalter der zugeordneten Prellschutzanordnung geschlossen wird.
• Wie im Stand der Technik bereits vorgeschlagen wurde, sind die Speicherzellen der Hochspannungsbatterie in zwei Untergruppen aufgeteilt, von denen jede sozusagen ein eigenes Batteriemodul bzw. eine eigene Teilbatterie darstellt, wobei bevorzugt eine gleichmäßige Aufteilung der Speicherzellen auf zwei Untergruppen verwendet wird, so dass die Teilspannung beider Untergruppen genau der Hälfte der Nennspannung entspricht. Jedem Schaltmittel der die Untergruppen wahlweise in Reihenschaltung oder Parallelschaltung verbindenden Schalteinrichtung ist nun eine Prellschutzanordnung zugeordnet, über die zunächst unter Verwendung eines ohmschen Widerstands ein Ladungsausgleich stattfinden kann, so dass Oszillationen, die Komponenten schädigen könnten, möglichst weitgehend vermieden werden. Dieser Ausgestaltung liegt folgende Überlegung zur Ursache der entstehenden Oszillationen zugrunde.
• Dabei ist zunächst festzuhalten, dass aufgrund der hohen Potentiale der Hochspannungsbatterie parasitäre Kapazitäten zu umgebenden leitenden Flächen entstehen. Insbesondere kann die Hochspannungsbatterie bevorzugt ein Batteriegehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material umfassen. Gegenüber einem solchen Batteriegehäuse entstehen parasitäre Kapazitäten. Wird die parasitäre Kapazität der positiven Anschlussleitung der ersten Untergruppe zur beispielsweise durch ein Batteriegehäuse gegebenen Masse als CY1, die parasitäre Kapazität zwischen der negativen Anschlussleitung der ersten Untergruppe und der Masse als CY2, die parasitäre Kapazität der positiven Anschlussleitung der zweiten Untergruppe zur Masse als CY3 und die parasitäre Kapazität der negativen Anschlussleitung der zweiten Untergruppe zur Masse als CY4 bezeichnet, gelten bei einer Reihenschaltung der Untergruppen aufgrund des Maschengesetzes die Zusammenhänge, dass die Summe der Teilspannungen der beiden Untergruppen der Summe der über den parasitären Kapazitäten abfallenden Spannungen entspricht, oder in Formeln, wenn die Teilspannungen als U_T1 und U_T2 sowie die über den parasitären Kapazitäten abfallenden Spannungen als U_CYi mit i = 1 ....4 bezeichnet werden: $${\text{U}}_{\text{T1}}+{\text{U}}_{\text{T2}}={\text{U}}_{\text{CY1}}+{\text{U}}_{\text{CY2}}+{\text{U}}_{\text{CY3}}+{\text{U}}_{\text{CY4}}.$$

  
• Gleichzeitig gilt für die „Teilmaschen“: $${\text{U}}_{\text{T1}}={\text{U}}_{\text{CY1}}+{\text{U}}_{\text{CY2}}$$

  

  $${\text{U}}_{\text{T2}}={\text{U}}_{\text{CY3}}+{\text{U}}_{\text{CY4}},$$

  

  woraus folgt: $${\text{U}}_{\text{CY2}}=-{\text{U}}_{\text{CY3}}.$$

  
• Stellt man sich nun vor, dass die Untergruppen aufgetrennt werden, bleiben lediglich noch die Zusammenhänge $${\text{U}}_{\text{T1}}={\text{U}}_{\text{CY1}}+{\text{U}}_{\text{CY2}}$$

  

  und $${\text{U}}_{\text{T2}}={\text{U}}_{\text{CY3}}+{\text{U}}_{\text{CY4}}.$$

  
• Um eine Parallelisierung der Untergruppen zu erreichen, wird in einem ersten Schritt die positive Anschlussleitung der zweiten Untergruppe mit der positiven Anschlussleitung der ersten Untergruppe (und somit der Hochspannungsbatterie als Ganzes) verbunden, so dass sich folgende Zusammenhänge der Spannungen ergeben: $${\text{U}}_{\text{T1}}={\text{U}}_{\text{CY1}}+{\text{U}}_{\text{CY2}}$$

  

  $${\text{U}}_{\text{T2}}={\text{U}}_{\text{CY3}}+{\text{U}}_{\text{CY4}}$$

  

  und $${\text{U}}_{\text{CY1}}={\text{U}}_{\text{CY3}}.$$

  
• Zum Abschluss des Parallelisierungsvorgangs wird nun die negative Anschlussleitung der ersten Untergruppe mit der negativen Anschlussleitung der zweiten Untergruppe, mithin der der Hochspannungsbatterie, verbunden, so dass schließlich gilt: $${\text{U}}_{\text{T1}}={\text{U}}_{\text{CY1}}+{\text{U}}_{\text{CY2}}$$

  

  $${\text{U}}_{\text{T2}}={\text{U}}_{\text{CY3}}+{\text{U}}_{\text{CY4}}$$

  

  $${\text{U}}_{\text{CY1}}+{\text{U}}_{\text{CY3}}$$

  

  $${\text{U}}_{\text{CY2}}={\text{U}}_{\text{CY4}}.$$

  
• Vergleicht man nun die ursprünglichen Zusammenhänge mit den bei der Parallelschaltung gegebenen Zusammenhänge, ergibt sich letztlich der Übergang von $${\text{U}}_{\text{CY2}}=-{\text{U}}_{\text{CY3}}$$

  

  zu $${\text{U}}_{\text{CY1}}={\text{U}}_{\text{CY3}}$$

  

  und $${\text{U}}_{\text{CY2}}={\text{U}}_{\text{CY4}}.$$

  
• Es findet mithin eine harte Spannungsumschaltung statt, die zu den Oszillationen von Spannungen und Strömen führt, welche, wie bereits erwähnt, zu Defekten führen können.
• Um diesen Effekt zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, in Kombination mit der bereits beschriebenen Schalteinrichtung zur wechselweisen Parallelschaltung und Reihenschaltung der Untergruppen eine Zusatzschaltung hinzuzufügen, welche mit geringem Aufwand und geringen Kosten das Problem behebt. Dabei werden Prellschutzeinrichtungen mit einem ohmschen Widerstand und einem eigenen Schalter hinzugefügt, die die harte Umschaltung der Spannungen vermeiden und eine „weiche“ Umschaltung der Spannungen ermöglichen, indem die entsprechenden parasitären Kapazitäten letztlich über einen Zeitraum umgeladen werden können. Mit anderen Worten wird durch die vorliegende Erfindung eine Vorladung der parasitären Kapazitäten im Rahmen eines Umschaltvorgangs der Hochspannungsbatterie erlaubt. So können auftretende Oszillationen bei der Batterieumschaltung kontrolliert werden.
• Dies wiederum ermöglicht zum einen eine maximale Ladegeschwindigkeit bei entsprechend vorhandener Ladeeinrichtung, ohne dass jedoch eine Einschränkung der insgesamt verfügbaren Ladeeinrichtungen existiert, nachdem auch Ladeeinrichtungen niedrigerer Ladespannung bei vorheriger Umschaltung der Hochspannungsbatterie genutzt werden können. Die die Vorkonditionierung der Spannungsverhältnisse erlaubenden Prellschutzschaltungen können dabei klein und preiswert dimensioniert werden. Es treten keine störenden Oszillationen bei Anwendung der Parallel-Seriell-Umschaltung auf, so dass eine Praxis- und Serientauglichkeit gegeben ist.
• Entsprechend stattfindende Umschaltvorgänge können durch eine Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs gesteuert werden. Konkret kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Schalteinrichtung aufweist, welche beim Öffnen eines Schaltmittels zunächst unmittelbar davor den zugeordneten Schalter schließt und beim Schließen eines Schaltmittels zunächst eine vorbestimmte Zeitspanne vor diesem Schließen den dem Schaltmittel zugeordneten Schalter schließt. Soll mithin ein Schaltmittel geöffnet werden, wird zunächst ein Alternativpfad, über den geregelt eine Umladung erfolgen kann, mittels Schließen des Schalters der zugeordneten Prellschutzanordnung ermöglicht. Das gegenüber der Prellschutzanordnung niederohmige Schaltmittel kann dann sofort geöffnet werden. Ausgleichsströme können nun den hochohmigeren Weg durch die Prellschutzanordnung nehmen. Beim umgekehrten Fall, dass ein Schaltmittel geschlossen werden soll, wird bereits eine vorbestimmte erste Zeitspanne vor dem Schließen des Schaltmittels der Schalter der zugehörigen Prellschutzanordnung geschlossen, um auch hier bereits zunächst auf hochohmigerem Weg eine langsamere Umverteilung von Ladungsverhältnissen und Spannungen an den parasitären Kapazitäten zu erlauben, ehe dann durch das Schließen des Schaltmittels die niederohmige Verbindung vorliegt. Entsprechend kann die Steuereinrichtung ferner auch ausgebildet sein, nach dem Öffnen des Schaltmittels den Schalter wenigstens für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne geschlossen zu halten und dann zu öffnen und nach dem Schließen eines Schaltmittels unmittelbar den zugeordneten Schalter zu öffnen, nachdem beim Öffnen eines Schaltmittels noch eine gewisse Zeit benötigt wird, bis die entsprechende Konditionierung der Spannungsverhältnisse stattgefunden hat, nach dem Schließen eines Schaltmittels jedoch unmittelbar eine niederohmigere Verbindung vorliegt, so dass die hochohmigere Verbindung mittels der Prellschutzanordnung geöffnet werden kann. Die Dauer der entsprechenden Zeitspannen richtet sich nach der konkreten Auslegung und den gegebenen Zeitkonstanten.
• Die Steuereinrichtung kann dabei auch zur grundsätzlichen Steuerung des Umschaltebetriebs zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung ausgebildet sein. Konkret kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum Umschalten in die Parallelschaltung der Untergruppen bei detektiertem Anschluss einer Ladequelle einer Ladespannung, die kleiner als die Nennspannung, aber größer als jede Teilspannung ist, ausgebildet ist. Somit ist die Steuereinrichtung für den gesamten Betrieb der Schalteinrichtung und der zugeordneten Prellschutzanordnungen zuständig.
• Wie bereits erwähnt wurde, ist es besonders bevorzugt, wenn die Untergruppen eine gleiche Anzahl von Speicherzellen aufweisen und eine gleiche Teilspannung als Hälfte der Nennspannung aufweisen, da dann die einfachste Ausgestaltung gegeben ist und keine Ausgleichsmittel oder dergleichen benötigt werden.
• Mit besonderem Vorteil kann der Widerstandswert des ohmschen Widerstands wenigstens 10 kOhm betragen. Der ohmsche Widerstand der Prellschutzanordnung kann mithin so hochohmig dimensioniert werden, dass der Strom bei deren Zuschaltung klein bleibt und der Schalter der Prellschutzanordnung wenig belastet wird. Aufgrund dessen können die Prellschutzanordnungen sehr klein und sehr preiswert realisiert werden, so dass kein nicht vertretbarer Mehraufwand bei Realisierung der vorliegenden Erfindung entsteht.
• Ferner kann vorgesehen sein, dass pro Prellschutzanordnung zwei in Serie geschaltete ohmsche Widerstände verwendet werden, so dass selbst bei Ausfall eines der ohmschen Widerstände noch eine Prellschutzwirkung gegeben ist.
• Die Nennspannung kann bevorzugt größer als 500 V, insbesondere größer als 700 V, sein. Ein Beispiel für eine angestrebte Nennspannung bei modernen Kraftfahrzeugen ist 800 V. Nachdem durch eine entsprechende Parallelschaltung gleich großer Untergruppen von Speicherzellen dann eine Spannung von 400 V vorliegt, können auch kleiner dimensionierte Ladeeinrichtungen, beispielsweise 500 V-Ladesäulen, problemlos zum Laden der Hochspannungsbatterie herangezogen werden. Gleichzeitig ist es aber auch möglich, größer dimensionierte Ladeeinrichtungen, beispielsweise 800 V-Ladesäulen, zum besonders schnellen Laden der Hochspannungsbatterie einzusetzen.
• In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Schalteinrichtung drei Schaltmittel aufweisen, von denen eines die Untergruppen seriell verbindet, ein weiteres eine negative Anschlussleitung einer ersten, bei Serienschaltung über die zweite Untergruppe mit einer negativen Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie verbundenen Untergruppe mit der negativen Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie verbindet und ein drittes eine positive Anschlussleitung der zweiten Untergruppe mit der positiven Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie verbindet. Dabei entsprechen in dieser Ausgestaltung die positive Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie der positiven Anschlussleitung der ersten Untergruppe und die negative Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie der negativen Anschlussleitung der zweiten Untergruppe. Das zweite und das dritte Schaltmittel sorgen mithin für eine Kreuzverschaltung, so dass eine Parallelschaltung realisiert wird. Jedem dieser Schaltmittel wird dann erfindungsgemäß entsprechend eine Prellschutzanordnung zugeordnet.
• Neben dem Kraftfahrzeug betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs der erfindungsgemäßen Art, wobei beim Öffnen eines Schaltmittels zunächst unmittelbar davor der zugeordnete Schalter der Prellschutzanordnung geschlossen wird und beim Schließen eines Schaltmittels zunächst eine erste vorbestimmte Zeitspanne vor diesem Schließen der dem Schaltmittel zugeordnete Schalter der Prellschutzanordnung geschlossen wird. Sämtliche Ausführungen bezüglich des Kraftfahrzeugs lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
• 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
• 2 ein vereinfachtes Schaltbild der Hochspannungsbatterie mit der Schalteinrichtung.
• 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, das vorliegend als ein Elektrokraftfahrzeug ausgebildet ist. Es weist demnach als Antriebsmittel einen Elektromotor 2 auf, der aus einer Hochspannungsbatterie 3, hier mit einer Nennspannung von 800 V, gespeist wird. Die Hochspannungsbatterie weist, wie bereits in 1 angedeutet, einzelne Speicherzellen 4 auf, vorliegend beispielsweise 200 Speicherzellen 4, die in zwei gleichgroße Untergruppen 5, 6 aufgeteilt sind, in denen sie jeweils in Reihe geschaltet sind. Durch die Reihenschaltung von in diesem Beispiel jeweils 100 Speicherzellen 4 in den Untergruppen 5, 6 liefern diese jeweils eine Teilspannung von 400 V, so dass sich bei Reihenschaltung der Untergruppen 5, 6 die Nennspannung von 800 V ergibt.
• Zwischen den Untergruppen 5, 6 ist eine Schalteinrichtung 7 geschaltet, über die es möglich ist, von der soeben beschriebenen Reihenschaltung der Untergruppen 5, 6 auf eine Parallelschaltung der Untergruppen 5, 6 umzuschalten. Dies ist dann zweckmäßig, wenn das Kraftfahrzeug 1 über einen entsprechenden Ladeanschluss 8 an eine externe Ladeeinrichtung, beispielsweise eine Ladesäule, angeschlossen werden soll, deren Ladespannung geringer als die Nennspannung ist, jedoch höher als die Teilspannungen. Beispielsweise kann die externe Ladeeinrichtung dann eine 500 V-Ladesäule sein, über die eine 800 V-Hochspannungsbatterie nicht aufzuladen wäre, die aber geeignet ist, eine 400 V-Hochspannungsbatterie, wie sie sich durch die Umschaltung mittels der Schalteinrichtung 7 ergibt, zu laden.
• Der Betrieb der Hochspannungsbatterie 3 und insbesondere auch der Schalteinrichtung 7 wird vorliegend von einer hier als Batteriemanagement-Steuergerät ausgebildeten Steuereinrichtung 9 gesteuert. Wird in der Steuereinrichtung 9 festgestellt, dass eine Ladeeinrichtung an den Ladeanschluss 8 angeschlossen wird, die eine Ladespannung bereitstellt, die niedriger als die Nennspannung, aber höher als die Teilspannung ist, steuert sie die Schalteinrichtung 7 zur Umschaltung von der (normalen) Reihenschaltung der Untergruppen 5, 6 in die Parallelschaltung der Untergruppen 5, 6 an. Nach Beendigung des Ladeprozesses kann dann entsprechend wieder zurückgeschaltet werden.
• 2 zeigt in einer teilweise vereinfachten Darstellung die Ausgestaltung der Schalteinrichtung 7 genauer und zeigt zudem als Ersatzschaltbild Störkapazitäten, die sich zu einem metallischen, geerdeten Gehäuse der Hochspannungsbatterie 3 ergeben, schematisch.
• Dabei sind die Untergruppen 5, 6 vereinfachend als ideale Spannungsquellen dargestellt, für die parasitäre Kapazitäten 10 zu der das elektrisch leitfähige Gehäuse symbolisierenden Masse 11 bestehen. In Bezug auf die eingangs verwendeten Begriffe handelt es sich dabei um die parasitären Kapazitäten CY1 und CY2. Entsprechende parasitäre Kapazitäten 12 (entsprechend CY3 und CY4) sind bezüglich der zweiten Untergruppe 6 dargestellt.
• Die Schalteinrichtung 7 weist drei primäre Schaltmittel 13, 14 und 15 auf, denen jeweils eine Prellschutzanordnung 16 aus einem parallel geschalteten Widerstand 17, der hier hochohmig, insbesondere größer als 10 kOhm, dimensioniert ist, und einem jeweils einem Schaltmittel 13, 14, 15 zugeordneten Schalter 18, 19, 20 parallel geschaltet ist. Die Steuereinrichtung 9 kann sowohl die Schaltmittel 13 - 15 als auch die Schalter 18 - 20 entsprechend ansteuern.
• Beim Ausgangszustand einer Reihenschaltung ist das Schaltmittel 15 geschlossen, die Schaltmittel 13 und 14 sind offen. Ferner sind zunächst auch alle Schalter 18 - 20 offen. Um nun eine Parallelschaltung zu erreichen, steuert die Steuereinrichtung 9 die Schaltmittel 13 - 15 und die Schalter 18 - 20 in chronologischer Abfolge folgendermaßen an:
1. a) Schließen des Schalters 20
2. b) (unmittelbar danach) Öffnen des Schaltmittels 15,
3. c) Warten für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne,
4. d) Öffnen des Schalters 20,
5. e) Schließen des Schalters 18,
6. f) Warten für eine erste vorbestimmte Zeitspanne,
7. g) Schließen des Schaltmittels 13,
8. h) Öffnen des Schalters 18,
9. i) Schließen des Schalters 19,
10. j) Warten für die erste vorbestimmte Zeitspanne,
11. k) Schließen des Schaltmittels 14,
12. l) Öffnen des Schalters 19.
• Durch Einhaltung dieser Abfolge werden etliche Oszillationseffekte vermieden.
• Soll von der Parallelschaltung in eine Reihenschaltung zurückgeschaltet werden, beispielsweise, weil der Ladevorgang beendet ist, wird entsprechend erst der Schalter 19 geschlossen, dann der Schalter 14 geöffnet, kurz gewartet, der Schalter 18 geschlossen, der Schalter 19 geöffnet, der Schalter 13 geöffnet, kurz gewartet, der Schalter 20 geschlossen, der Schalter 18 geöffnet, das Schaltmittel 15 geschlossen und sodann der Schalter 20 geöffnet.
• Es sei angemerkt, dass statt dem eingezeichneten einen ohmschen Widerstand 17 auch mehrere ohmsche Widerstände 17 in den Prellschutzanordnungen vorgesehen werden können. Ferner sind die hier genannten Werte für die Nennspannung, die Zahl der Speicherzellen und dergleichen rein beispielhaft zu verstehen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10361743 A1 [0006]
• DE 102015218897 A1 [0007]
• WO 2007/081495 A2 [0008]

Claims (9)

1. Kraftfahrzeug (1), aufweisend wenigstens eine insbesondere einem Elektromotor (2) des Kraftfahrzeugs (1) zugeordnete, elektrische Hochspannungsbatterie (3), die mehrere zum Erhalt einer Nennspannung der Batterie in Serie geschaltete Speicherzellen (4) aufweist, wobei die Speicherzellen (4) in zwei jeweils eine Teilspannung bereitstellende Untergruppen (5, 6) aufgeteilt sind und zwischen den Untergruppen (5, 6) eine Schalteinrichtung (7) vorgesehen ist, über die die Untergruppen (5, 6) von einer Reihenschaltung zum Bereitstellen der Nennspannung in eine Parallelschaltung zum Laden über eine Ladequelle einer Ladespannung, die kleiner als die Nennspannung, aber größer als jede Teilspannung ist, umgeschaltet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schaltmittel (13, 14, 15) der Schalteinrichtung (7) eine diesem parallel geschaltete Prellschutzanordnung (16) mit wenigstens einem ohmschen Widerstand (17) und einem Schalter (18, 19, 20) zugeordnet ist, wobei bei jedem Öffnen und Schließen eines Schaltmittels (13, 14, 15) zunächst der Schalter (18, 19, 20) der zugeordneten Prellschutzanordnung (16) geschlossen wird.
2. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Steuereinrichtung (9) zur Steuerung der Schalteinrichtung (7) aufweist, welche beim Öffnen eines Schaltmittels (13, 14, 15) zunächst unmittelbar davor den zugeordneten Schalter (18, 19, 20) schließt und beim Schließen eines Schaltmittels (13, 14, 15) zunächst eine erste vorbestimmte Zeitspanne vor diesem Schließen den dem Schaltmittel (13, 14, 15) zugeordneten Schalter (18, 19, 20) schließt.
3. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9) ferner ausgebildet ist, nach dem Öffnen des Schaltmittels (13, 14, 15) den Schalter (18, 19, 20) wenigstens für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne geschlossen zu halten und dann zu öffnen und nach dem Schließen eines Schaltmittels (13, 14, 15) unmittelbar den zugeordneten Schalter (18, 19, 20) zu öffnen.
4. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9) zum Umschalten in die Parallelschaltung der Untergruppen (5, 6) bei detektiertem Anschluss einer Ladequelle einer Ladespannung, die kleiner als die Nennspannung, aber größer als jede Teilspannung ist, ausgebildet ist.
5. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergruppen (5, 6) eine gleiche Anzahl von Speicherzellen (4) aufweisen und eine gleiche Teilspannung als Hälfte der Nennspannung aufweisen.
6. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des ohmschen Widerstands (17) wenigstens 10 kOhm beträgt und/oder pro Prellschutzanordnung (16) zwei in Serie geschaltete ohmsche Widerstände (17) verwendet werden.
7. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennspannung größer als 500 V, insbesondere größer als 700 V, ist.
8. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (7) drei Schaltmittel (13, 14, 15) aufweist, von denen eines die Untergruppen (5, 6) seriell verbindet, ein weiteres eine negative Anschlussleitung einer ersten, sonst über die zweite Untergruppe (6) mit einer negativen Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie (3) verbundenen Untergruppe (5) mit der negativen Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie (3) verbindet und ein drittes eine positive Anschlussleitung der zweiten Untergruppe (6) mit der positiven Anschlussleitung der Hochspannungsbatterie (3) verbindet.
9. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beim Öffnen eines Schaltmittels (13, 14, 15) zunächst unmittelbar davor der zugeordnete Schalter (18, 19, 20) der Prellschutzanordnung (16) geschlossen wird und beim Schließen eines Schaltmittels (13, 14, 15) zunächst eine erste vorbestimmte Zeitspanne vor diesem Schließen der dem Schaltmittel (13, 14, 15) zugeordnete Schalter (18, 19, 20) der Prellschutzanordnung (16) geschlossen wird.

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