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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanordnung zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energieversorgungsanordnung eine Schaltungsanordnung aufweist, die wiederum einen ersten Energiespeicher, der als elektrochemischer HV(Hochvolt)-Energiespeicher ausgebildet ist, und einen zweiten Energiespeicher aufweist, wobei durch den ersten und/oder zweiten Energiespeicher eine HV-Versorgungsspannung an einem mit der elektrischen Antriebseinheit koppelbaren Ausgang der Schaltungsanordnung bereitstellbar ist. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Energieversorgungsanordnung sowie ein Verfahren zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs.
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Aus dem Stand der Technik sind vielzählige Kombinationen von Energiespeichern zur diversen Zwecken bekannt. Beispielsweise beschreibt die
WO 2012/062599 A2 eine Energiespeichereinrichtung mit einem Kondensator zur Entlastung einer Bleisäurebatterie und zur Stabilisierung des Bordnetzes.
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Die
WO 2010/039795 A2 beschreibt ein Verfahren und ein Gerät zum Speichern von elektrischer Energie. Auch hierbei wird ein elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere eine Bleisäurebatterie, mit einer Kondensatorgruppe kombiniert, um einer Last anforderungsabhängig Energie zuzuführen.
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Die
DE 10 2011 014 924 A1 beschreibt ein Flurförderfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, der aus einer ersten und/oder zweiten Spannungsquelle gespeist werden kann, wobei die erste Spannungsquelle mehrere in Reihe geschaltete Batterien und die zweite Spannungsquelle mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, die induktiv mit einer Balancierschaltung der Batterien gekoppelt sind, um in jedem Betriebszustand des Flurförderfahrzeugs aktiv die Batterien und die Kondensatoren bei ungleicher Spannung zu balancieren.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2015 004 701 A1 ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem elektrochemischen Akkumulator, wobei der Akkumulator beim Aufladen nur eine Ladeleistung kleiner als ein vorbestimmter Höchstleistungswert aufzunehmen ausgelegt ist. Das Fahrzeug weist doch einen Zusatzspeicher auf, wobei bei der Zusatzspeicher beim Aufladen eine Ladeleistung größer als der Höchstleistungswert aufzunehmen ausgelegt ist. Eine Ladeeinrichtung ist zum Empfangen von Energie von einer fahrzeugexternen Ladestation ausgelegt. Die übertragene Energie soll in kurzer Zeit im Betrieb des Fahrzeugs erfolgen. Die Ladeeinrichtung ist dazu ausgelegt, die Energie als einen Leistungspuls, der eine Amplitude größer als der Höchstleistungswert aufweist, zu empfangen und die empfangene Energie in dem Zusatzspeicher zu speichern. Die Energie wird dann aus dem Zusatzspeicher mit einer Ladeleistung kleiner als der Höchstleistungswert in den Akkumulator übertragen.
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Die
EP 2 608 393 A1 beschreibt eine Stromrichterschaltung für den Fahrantrieb eines Elektrofahrzeugs mit zumindest zwei Submodulen in Reihenschaltung, wobei die Stromrichterschaltung über eine Induktivität elektrische Leistung aus einer eine Gleichspannung abgebenden Leistungsquelle bezieht. Jedes Submodul weist eingangsseitig eine einphasige Halbbrücke und lastseitig eine einphasige Vollbrücke auf, wobei die Halbbrücke und die Vollbrücke gleichspannungsseitig zusammen mit einem Zwischenkreiskondensator parallel zueinander in einen Zwischenkreis geschaltet sind. Zur Speicherung oder Zuführung von elektrischer Energie weist die Stromrichterschaltung in einer ersten Variante zusätzlich zu den Submodulen mindestens ein Versorgungsmodul auf, das eingangsseitig eine einphasigen Halbbrücke aufweist, der gleichspannungsseitig über einen Zwischenkreis ein Zwischenkreiskondensator sowie ein weiterer Stromrichter parallel geschaltet sind, wobei an den weiteren Stromrichter eine zusätzliche elektrische Leistungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist. In einer zweiten Variante der Stromrichterschaltung weist mindestens eines der Submodule einen weiteren Stromrichter auf, der parallel zu der Vollbrücke in den Zwischenkreis geschaltet ist, und an den eine zusätzliche elektrische Leistungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist. Das mindestens eine Versorgungsmodul dient dabei entweder ausschließlich zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie oder ausschließlich zum Einspeisen von externer elektrischer Energie in dem Batteriestromkreis und somit insbesondere zum Laden der Fahrzeugbatterie, d.h. der Leistungsquelle.
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Ein grundsätzliches Problem bei Elektrofahrzeugen besteht darin, dass anders als bei einem Verbrennungskraftmaschinen-betriebenen Fahrzeug die Leistung eines Elektrofahrzeugs nicht nur durch das Aggregat, sondern primär durch die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers bestimmt wird. Weiterhin ist die Auslegung eines Serienmodells eines Elektrofahrzeugs aufgrund des Kostentreibers HV-Speicher bzw. HV-Batterie sehr stark eigenschaftsgetrieben. Mit anderen Worten werden die für Serienmodelle eingesetzten HV-Batterien auf die Anforderungen und Bedürfnisse solcher Serienmodelle hin optimiert. Auf der anderen Seite gibt es noch sogenannte Performancemodelle mit deutlich höheren Leistungsanforderungen. Bei der Konzeption können allerdings die Leistungsanforderungen solcher Performancemodelle an einen Energiespeicher aus Kosten- und Packagegründen nicht berücksichtigt werden. Mit anderen Worten müssen also die Energieversorgung und alle damit zusammenhängenden Komponenten, wie Kühlung, Anordnung und Ausbildung des Energiespeichers, Art und Anzahl der Zellen, Module, usw. für Serienmodelle und Performancemodelle separat konzeptioniert und entworfen werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und teuer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Energieversorgungsanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche flexiblere Einsatzmöglichkeiten erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energieversorgungsanordnung, durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Verfahren zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs weist eine Schaltungsanordnung auf, die wiederum einen ersten Energiespeicher, der als elektrochemischer HV-Energiespeicher ausgebildet ist, und einen zweiten Energiespeicher aufweist, wobei durch den ersten und/oder zweiten Energiespeicher eine HV-Versorgungsspannung an einem mit der elektrischen Antriebseinheit koppelbaren Ausgang der Schaltungsanordnung bereitstellbar ist. Dabei ist der zweite Energiespeicher als vom ersten Energiespeichers separate bauliche Einheit ausgebildet, wobei die Energieversorgungsanordnung weiterhin einen zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher angeordneten ersten Strompfad mit einem ersten elektrischen Widerstand und einen zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher angeordneten zweiten Strompfad mit einem zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der kleiner ist als der erste elektrische Widerstand, wobei die Energieversorgungsanordnung derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem ersten Betriebszustand über den ersten Strompfad Strom geführt wird, und in zumindest einem zweiten Betriebszustand über den zweiten Strompfad Strom geführt wird.
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Eine Umschaltung zwischen den beiden Strompfaden kann beispielsweise mittels geeigneter Schaltelemente erfolgen. Durch die Erfindung lassen sich somit gleichzeitig vorteilhafte Anordnungsmöglichkeiten, sowie eine besonders vorteilhafte Verschaltung der beiden Energiespeicher bewerkstelligen, um den zweiten Energiespeicher zum Zwecke der Reichweitenhöhung für Serienmodelle einerseits und zum Zwecke der Erhöhung der Beschleunigungswerte für Performance-Modelle andererseits einsetzen zu können. Durch den ersten Strompfad mit dem höheren Widerstand kann vorteilhafterweise eine Strombegrenzung bereitgestellt werden, die sowohl beim Zell-Balancing während eines Ladevorgangs als auch beim initialen Verschalten der Energiespeicher zum Starten eines Fahrbetriebs von großem Vorteil ist, wie die später im Detail näher beschrieben wird. Diese beiden Strompfade zwischen den beiden Energiespeichern sind gerade bei HV-Anwendungen relevant, wie dies vorliegend der Fall ist. Denn sowohl aus Sicherheitsgründen im Ruhezustand des Kraftfahrzeugs als auch beim Laden sind die Energiespeicher nicht permanent miteinander gekoppelt. Um dann Überströme beim Koppeln der Energiespeicher zu verhindern, kann vorteilhafterweise der erste Strompfad genutzt werden, während anschließend auf den ersten, energieeffizienteren zweiten Strompfad umgeschaltet werden kann. Dieser zweite Energiespeicher dient als Zusatzspeicher zum ersten Energiespeicher, der zum Beispiel eine primäre Traktionsbatterie eines Serienmodells bereitstellt, und kann je nach Modellanforderung geeignet ausgebildet werden, zum Beispiel leistungsoptimiert oder reichweitenoptimiert. Dadurch dass der zweite Energiespeicher als separate bauliche Einheit ausgebildet ist, kann dieser besonders flexibel im Kraftfahrzeug verbaut werden, je nach zur Verfügung stehendem Bauraum. Die Verbauposition kann damit ebenfalls von Kraftfahrzeugmodell zu Kraftfahrzeugmodell variieren, was erst die besonders großen Vorteile in Bezug auf die modularen Einsatzmöglichkeiten bereitstellt. Die beiden Energiespeicher können dann auf einfache Weise verbunden werden und damit zu einer Energieversorgungseinheit, zumindest funktional, zusammengefasst werden. Damit lässt sich durch die Erfindung vorteilhafterweise die Leistungsziellücke zwischen Serien-Elektrofahrzeugen und Performance-Elektrofahrzeugen schließen. Beide Fahrzeuge können beispielsweise dieselbe Traktionsbatterie bzw. im Allgemeinen einen identischen ersten Energiespeicher aufweisen, insbesondere in Bezug auf Anzahl der Zellen, Zellentyp, Anzahl der Module, Ausbildung der Kühlung, usw.. Lediglich die Parameter des zweiten Energiespeichers werden dann für Performance-Modelle anders gewählt als für Serienmodelle, während alle übrigen Komponenten beibehalten werden können. Hierdurch können Entwicklungskosten und Aufwand eingespart werden. Die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung stellt damit besonders flexible Einsatzmöglichkeiten bereit.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher in Bezug auf den Ausgang parallel geschaltet, wobei die Parallelschaltungen zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher mittels mindestens eines Schaltelements reversibel trennbar ist. Reversibel trennbar bedeutet hierbei, dass eine Trennung der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher zum Beispiel durch Schließen des entsprechenden Schaltelements wieder herstellbar ist.
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Diese Parallelschaltung hat vielzählige Vorteile. Zum einen lässt es sich hierdurch realisieren, dass die am Ausgang bereitgestellte Versorgungsspannung einzig und allein durch den ersten oder einzig und allein durch den zweiten Energiespeicher bereitstellbar erst, sodass beispielsweise bei Ausfall eines der beiden Energiespeichers, zum Beispiel im Falle eines Defekts, dennoch eine Energieversorgung durch den anderen der beiden Energiespeicher bereitgestellt werden kann.
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Weiterhin kann der zweite Energiespeicher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet sein oder der zweite Energiespeicher kann mindestens einen Lithium-Ionen-Kondensator und/oder einen Supercup-Kondensator aufweisen. Die Ausbildung des zweiten Energiespeichers, kann wie bereits erwähnt, wiederum davon abhängen, in welchem Kraftfahrzeugmodell die Energieversorgungsanordnung zum Einsatz kommt. Die Ausbildung des zweiten Energiespeichers als elektrochemischer Energiespeicher, zum Beispiel als Lithium-Ionen-Batterie, ist besonders vorteilhaft, da dies ein besonders hohes Maß an Flexibilität mit sich bringt. Dies ist dadurch begründet, dass ein elektrochemischer Energiespeicher auf einfache Weise einerseits Leistung optimiert und andererseits Reichweiten optimiert ausgebildet werden kann, wodurch ein solcher elektrochemischer Energiespeicher sich sowohl als Energiespeicher für ein Serienmodell zur Erhöhung der Reichweite als auch für ein Performancemodell zur Erhöhung der Leistung eignet. Soll der zweite Energiespeicher beispielsweise zur Erhöhung der Reichweite dienen, so ist es bevorzugt, dass für den zweiten Energiespeicher ein Zelltyp, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, mit identischen Eigenschaften wie der primäre Energiespeicher, d.h. der erste Energiespeicher, gewählt werden. Solche Eigenschaften betreffen dem Energieinhalt und/oder die Leistung und/oder den Innenwiderstand und/oder die Systemspannung und/oder das Verhältnis von elektrischer Antriebsleistung zum Energieinhalt. Soll der zweite Energiespeicher dagegen zur Erhöhung der Beschleunigungswerte dienen, so werden vorzugsweise Zellen, insbesondere wiederum Lithium-Ionen-Zellen, mit anderen Eigenschaften gegenüber dem primären Energiespeicher, das heißt dem ersten Energiespeicher, gewählt, insbesondere derart, der dass die Zellen des zweiten Energiespeichers einen geringeren Energieinhalt und/oder eine höhere Leistung und/oder einen kleineren Innenwiderstand und/oder ein höheres Verhältnis von elektrischer Antriebsleistung zum Energieinhalt aufweisen. Dadurch kann der Zusatzspeicher, nämlich der zweite Energiespeicher, vorteilhafterweise leistungsoptimiert ausgebildet werden. Um den zweiten Energiespeicher leistungsoptimiert auszulegen und die Beschleunigungswerte zu erhöhen kann dieser auch Lithium-Ionen-Kondensatoren und/oder SuperCup-Kondensatoren umfassen. Diese Möglichkeiten können vorteilhafterweise nach Bedarf auch miteinander kombiniert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieversorgungsanordnung derart ausgebildet, dass bei einem Ladevorgang zum Laden des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers und im Falle, dass ein Spannungsunterschied zwischen einer am ersten Energiespeicher abgreifbaren ersten Gesamtspannung und einer am zweiten Energiespeicher abgreifbaren zweiten Gesamtspannung kleiner ist als ein vorbestimmter erster Grenzwert, nur der erste Energiespeicher durch Kopplung des ersten Energiespeichers mit einer externen Energiequelle geladen wird, wobei die Parallelschaltungen zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher durch die mindestens eine Schalteinrichtung getrennt ist. Im Falle, dass der Spannungsunterschied größer ist als ein vorbestimmter zweiter Grenzwert, wird der zweite Energiespeicher durch eine vom ersten Energiespeicher über den ersten Strompfad bereitgestellte Stromzufuhr geladen, bis der Spannungsunterschied kleiner ist als ein vorbestimmter dritter Grenzwert, und im Falle, dass der Spannungsunterschied kleiner ist als der dritte Grenzwert und gleich oder größer ist als der erste Grenzwert wird der zweite Energiespeicher durch eine vom ersten Energiespeicher über den zweiten Strompfad bereitgestellte Stromzufuhr geladen, bis der Spannungsunterschied kleiner ist als der erste Grenzwert.
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Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Ladestrategie mit integriertem Zell-Balancing bereitgestellt werden. Zunächst kann also beispielsweise der erste Energiespeicher mit einem Ladeanschluss der Energieversorgungsanordnung zum Koppeln mit einer externen Energiequelle gekoppelt werden, zum Beispiel durch Schließen eines oder mehrerer entsprechender Schalter. Dann kann zunächst der erste Energiespeicher geladen werden, wodurch sich sein Ladezustand erhöht und letztendlich dadurch auch seine Gesamtspannung steigt, wodurch der Spannungsunterschied zum zweiten Energiespeicher letztendlich den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet. Dann wird der erste Energiespeicher vom Ladeanschluss wiederum entkoppelt und es wird eine Zell-Balancing-Phase initiiert. Diese setzt sich aus einem Pre-Balancing und dem eigentlichen Balancing zusammen. Beim Pre-Balancing werden die zwei Pole des ersten Energiespeichers mit den korrespondierenden Polen des zweiten Energiespeichers gekoppelt, zum Beispiel durch Schließen des mindestens einen Schaltelements über welches die Parallelschaltungen zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher herstellbar ist, und zwar derart, dass in dieser Pre-Balancing-Phase der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher über den ersten Strompfad gekoppelt sind, der den größeren Widerstand aufweist. Durch den höheren Widerstand lässt sich der Strom vorteilhafterweise vom ersten Energiespeicher zum zweiten Energiespeicher in geeigneter Weise begrenzen, der gerade initial aufgrund des zu Beginn des Balancings großen Spannungsunterschieds zwischen der Gesamtspannung des ersten und des zweiten Energiespeichers sehr hoch sein kann. Der zweite Energiespeicher wird nun vorteilhafterweise ebenfalls geladen, wodurch sich sein Ladezustand und somit auch seine Spannung erhöht. Damit fällt der Spannungsunterschied zwischen der Gesamtspannung des ersten und des zweiten Energiespeichers ab. Fällt dieser letztendlich unter den vorbestimmten dritten Gewerbegrenzwert, so wird der zweite Energiespeicher zwar weiterhin durch den ersten Energiespeicher geladen, jedoch nur über den zweiten Strompfad und nicht mehr über den ersten Strompfad. Dies kann durch geeignetes Umschalten eines Schalters oder Ähnliches erfolgen. Dadurch, dass der zweite Energiespeicher nur über den zweiten Strompfad mit dem geringeren Widerstand weiter geladen wird, können Energieverluste reduziert und der Ladungsausgleich und damit das Laden beschleunigt werden. Die Spannungen des ersten und des zweiten Energiespeichers gleichen sich nun weiterhin kontinuierlich an, so dass letztendlich der Spannungsunterschied wiederum unter den ersten vorbestimmten Grenzwert fällt. Dann kann sich eine erneute Ladephase zum Laden des ersten Energiespeichers wie zuvor beschrieben anschließen. Dazu wird der erste Energiespeicher wiederum vom zweiten Energiespeicher entkoppelt und mit dem Ladeanschluss verbunden. Dies kann sich so lange wiederholen, bis letztendlich beide Energiespeicher ausreichen geladen sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieversorgungsanordnung derart ausgebildet, dass zum Starten eines Fahrbetriebs in einer Vorladephase der erste Energiespeicher über den ersten Strompfad zum zweiten Energiespeicher parallel geschaltet ist bis ein Spannungsunterschied zwischen einer am ersten Energiespeicher abgreifbaren ersten Gesamtspannung und einer am zweiten Energiespeicher abgreifbaren zweiten Gesamtspannung kleiner ist als ein vorbestimmter vierter Grenzwert, und im Falle, dass während des Fahrbetriebs der Spannungsunterschied kleiner ist als der vorbestimmte vierte Grenzwert, der erste Energiespeicher über den zweiten Strompfad zum zweiten Energiespeicher parallel geschaltet ist.
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Auch hier können vorteilhafterweise zum Starten des Fahrbetriebs zu hohe Ströme verhindert werden. Vor dem Starten des Fahrbetriebs befinden sich der erste und der zweite Energiespeicher im entkoppelten Zustand, zum Beispiel indem das mindestens eine Schaltelement zum Herstellen der Parallelschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher geöffnet ist. Soll nun der Fahrbetrieb gestartet werden, so wird das mindestens eine Schaltelement geschlossen, wodurch der erste und der zweite Energiespeicher zueinander parallel geschaltet werden. Diese Verschaltung erfolgt wiederum vorteilhafterweise zunächst über den ersten Strompfad mit dem größeren elektrischen Widerstand, sodass vorteilhafterweise mögliche zu hohe Ströme zu Beginn des Schaltvorgangs verhindert werden können. Durch die geschlossene Parallelschaltung des ersten und des zweiten Energiespeichers gleichen sich die Spannungen wiederum aneinander an, bis letztendlich der Spannungsunterschied kleiner ist als der vorbestimmte vierte Grenzwert, der beispielsweise zum vorbestimmten ersten Grenzwert wie oben beschrieben korrespondieren kann bzw. mit diesem identisch sein kann. Es kann aber auch ein anderer Grenzwert gewählt werden. Wird zu diesem Zeitpunkt der Fahrbetrieb weiterhin fortgesetzt, so bleiben auch der erste und der zweite Energiespeicher weiterhin über die Parallelschaltungen gekoppelt, jedoch erfolgt ein Umschalten vom ersten Strompfad zum zweiten Strompfad mit dem geringeren elektrischen Widerstand, wodurch vorteilhafterweise Energieverluste reduziert werden können. So kann auch zum Starten eines Fahrbetriebs ein sicheres und energieeffizientes Verschalten des ersten und des zweiten Energiespeichers durchgeführt werden.
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Um die beschriebenen Maßnahmen, nämlich die entsprechenden Schaltvorgänge, durchzuführen, kann eine entsprechende Steuereinrichtung der Energieversorgungsanordnung vorgesehen sein. Diese ist dann vorzugsweise dazu ausgelegt, die Kopplung des ersten und zweiten Energiespeichers sowie auch die Kopplung des ersten Energiespeichers mit dem Ladeanschluss zum Laden wie zuvor beschrieben in entsprechender Weise durchzuführen. Dies gilt also sowohl zum Starten des Fahrbetriebs sowie zum Durchführen des Fahrbetriebs, zum Beenden des Fahrbetriebs sowie zum Starten und Durchführen eines Ladevorgangs mit integriertem Balancing.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Energiespeicher eine Anschlusseinrichtung auf, die einen ersten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer ersten mit einem ersten Pol des ersten Energiespeichers koppelbaren ersten Potentialleitung aufweist und einen ersten Ausgangsanschluss zum Koppeln mit einem ersten Potentialanschluss des Ausgangs, wobei der erste Eingangsanschluss und der erste Ausgangsanschluss durch eine erste elektrische Leitung miteinander verbunden sind. Weiterhin weist der zweite Energiespeicher eine zweite Anschlusseinrichtung auf, die einen zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer zweiten mit einem zweiten Pol des ersten Energiespeichers koppelbaren zweiten Potentialleitung aufweist und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Koppeln mit einem zweiten Potentialanschluss des Ausgangs, wobei der zweite Eingangsanschluss und der zweite Ausgangsanschluss durch eine zweite elektrische Leitung miteinander verbunden sind, und wobei eine Speichereinheit des zweiten Energiespeichers, also zum Beispiel eine oder mehrere Batteriezellen oder eine oder mehrere Kondensatoren, mit einem ersten Pol mit der ersten elektrischen Leitung und mit einem zweiten Pol mit der zweiten elektrischen Leitung über mindestens ein jeweiliges Schaltelement koppelbar ist. Dies ermöglicht ein besonders einfaches und vorteilhaftes Koppeln des zweiten Energiespeichers mit dem restlichen Bordnetz. In dieser Weise werden die HV-Plus und HV-Minus Leitungen quasi durchgeschleift, was durch die erste und die zweite elektrische Leitung wie oben beschrieben realisiert wird. Die Speichereinheit, also beispielsweise die Batteriezellen-Anordnung, kann entsprechend mit einem jeweiligen Pol mit der ersten und/oder zweiten elektrischen Leitung verbunden sein, und über entsprechende Schalteinrichtungen bzw. Schaltelemente von diesen trennbar sein. Die erste und die zweite Anschlusseinrichtung können zum Beispiel als entsprechende Steckerbuchsen des zweiten Energiespeichers ausgeführt sein. Die HV-Plus- und HV-Minus-Anschlüsse des ersten Energiespeichers, sowie diejenigen des Ausgangs können als Stecker einfach in die entsprechenden einen Ein- und Ausgangsanschlüsse des zweiten Energiespeichers eingesteckt werden. Durch diese vorteilhafte Ausführungsform ist es weiterhin möglich, dass auch bei Ausfall des Zusatzspeichers, d.h. des zweiten Energiespeichers weiterhin der komplette Antriebsstrang mit Energie versorgt wird, nämlich über den ersten Energiespeicher.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher in Bezug auf den Ausgang in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher mittels mindestens eines Schaltelements reversibel trennbar ist. Im Falle der Parallelschaltung von erstem und zweitem Energiespeicher ist es bevorzugt, dass der erste und der zweite Energiespeicher näherungsweise die gleiche Gesamtspannung bereitstellen, zum Beispiel 800 V. Im Falle der Serienschaltung von erstem und zweitem Energiespeicher, ist dies nicht erforderlich, da sich in diesem Fall die Spannungen addieren. Die Summe der Gesamtspannung aus erstem und zweitem Energiespeicher stellt dann letztendlich die am Ausgang abgreifbare HV-Versorgungsspannung dar. Vorzugsweise ist in diesem Fall der zweite Energiespeicher so ausgestaltet, dass seine Gesamtspannung deutlich kleiner als 800 V ist. Die Anordnung von erstem und zweitem Energiespeicher kann also nicht nur in einer Parallelschaltung realisiert sein, sondern alternativ auch in einer Serienschaltung, was wiederum ein hohes Maß an Anwendungsmöglichkeiten und Flexibilität mit sich bringt.
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Während eines Ladevorgangs zum Laden des ersten und/oder zweiten Energiespeichers werden dann der erste und der zweite Energiespeicher vorzugsweise zeitlich getaktet geladen, um sicherzustellen, dass beide Energiespeicher bzw. die darin integrierten Speichermodule, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, im Rahmen eines Balancings gleichmäßig geladen werden. Daher stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die Energieversorgungsanordnung derart ausgebildet ist, dass bei einem Ladevorgang zum Laden des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers der erste und der zweite Energiespeicher zeitlich alternierend mit einer externen Energiequelle gekoppelt werden. Beispielsweise kann zunächst der erste Energiespeicher zum Laden wiederum mit dem entsprechenden Ladeanschluss zum Koppeln mit der externen Energiequelle gekoppelt werden, zum Beispiel durch Schließen entsprechender Schalter. Dadurch wird der erste Energiespeicher geladen, wodurch sich sein Ladezustand erhöht. Überschreitet dann zum Beispiel die Ladezustandsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher einen vorbestimmten Grenzwert, so wird der erste Energiespeicher vom Ladeanschluss entkoppelt und stattdessen der zweite Energiespeicher mit dem Ladeanschluss gekoppelt und geladen, insbesondere solange bis auch hier ein vorbestimmter Ladezustandswert erreicht ist, der vom Ladezustandswert des ersten Energiespeichers abhängt und sich von diesem maximal um einen vorbestimmbaren Wert unterscheiden darf. Dann wird wiederum umgeschaltet und der erste Energiespeicher geladen. Dies wird solange wiederholt, bis der Ladevorgang abgebrochen oder beide Energiespeicher ausreichend geladen sind. Während dieses alternierenden Ladezyklus sind die beiden Energiespeicher voneinander entkoppelt. Damit lässt sich also vorteilhafterweise eine Ladestrategie bereitstellen, die abhängig vom Ladezustand der jeweiligen Energiespeicher ein gleichmäßiges Laden aller Zellen ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieversorgungsanordnung derart ausgebildet, dass zum Starten eines Fahrbetriebs in einer Vorladephase der erste Energiespeicher über den ersten Strompfad zum zweiten Energiespeicher in Serie geschaltet ist und nach der Vorladephase während des Fahrbetriebs der erste Energiespeicher über den zweiten Strompfad zum zweiten Energiespeicher in Serie geschaltet ist. Auch hierdurch kann wiederum, wie bereits im Zusammenhang mit der Parallelschaltungen beschrieben, vorteilhafterweise ein schonendes und gleichzeitig besonders energieeffizientes Verschalten des ersten und des zweiten Energiespeichers vorgenommen werden, ohne Überströme zu riskieren.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energieversorgungsanordnung eine Schaltungsanordnung aufweist, die wiederum einen ersten Energiespeicher, der als elektrochemischer HV-Energiespeicher ausgebildet ist, und einen zweiten Energiespeicher aufweist, wobei durch den ersten und/oder zweiten Energiespeicher eine HV-Versorgungsspannung an einem mit der elektrischen Antriebseinheit koppelbaren Ausgang der Schaltungsanordnung bereitstellbar ist. Dabei ist der zweite Energiespeicher als vom ersten Energiespeicher separate bauliche Einheit ausgebildet, wobei die Energieversorgungsanordnung einen zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher angeordneten ersten Strompfad mit einem ersten elektrischen Widerstand und einen zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher angeordneten zweiten Strompfad mit einem zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der kleiner ist als der erste elektrische Widerstand, wobei in zumindest einem ersten Betriebszustand über den ersten Strompfad Strom geführt wird und in zumindest einem zweiten Betriebszustand über den zweiten Strompfad Strom geführt wird.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Energieversorgungsanordnung mit einer Schaltungsanordnung, die wiederum einen ersten Energiespeicher sowie einen zweiten Energiespeicher aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung verschiedener Betriebszustände der Energieversorgungsanordnung, insbesondere während des Ladens und während des Fahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des zweiten Energiespeichers für eine Energieversorgungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Energieversorgungsanordnung mit einer Schaltungsanordnung, die wiederum einen ersten Energiespeicher sowie einen zweiten Energiespeicher aufweist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung verschiedener Betriebszustände der Energieversorgungsanordnung, insbesondere während des Ladens und während des Fahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung eines Energieflussdiagramms für eine Energieversorgungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 7 eine schematische Darstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugs 102 mit einer Energieversorgungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energieversorgungsanordnung 10 mit einer Schaltungsanordnung 12, die wiederum einen ersten Energiespeicher 14 sowie einen zweiten Energiespeicher 16 aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch den ersten und/oder zweiten Energiespeicher 14, 16 ist entsprechend an einem Ausgang 18 der Schaltungsanordnung 12 eine HV-Versorgungsspannung U zum Versorgen einer Antriebseinheit 20 bereitstellbar. Die Antriebseinheit 20 umfasst dabei eine als Pulswechselrichter mit einem Zwischenkreiskondensator C ausgebildete Leistungselektronik 22, welche mit einer elektrischen Maschine 24 gekoppelt ist.
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Der Hauptenergiespeicher, der durch den ersten Energiespeicher 14 bereitgestellt ist, ist als elektrochemischer Energiespeicher, in diesem Fall in Form einer Lithium-Ionen-Batterie mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen 26, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine mit einem Bezugszeichen versehen erst, ausgebildet. Weiterhin umfasst der erste Energiespeicher 14 in diesem Beispiel zwei Zellmodule 28, wobei ein jeweiliges Zellmodul 28 eine Modulspannung UM aufweist, die zum Beispiel je 400 V betragen kann. Diese beiden Modulspannungen UM addieren sich zur Gesamtspannung U1, welche am ersten Energiespeicher 14 insgesamt abgreifbar ist. Weiterhin weist der erste Energiespeicher 14 eine Schaltungsanordnung 30 auf, mittels welcher die beiden Zellmodule 28 zueinander in Reihe schaltbar sind sowie alternativ zueinander parallel schaltbar sind. Zu diesem Zweck weist diese Schaltungsanordnung 30 drei Schaltelemente auf, die in diesem Beispiel als ein erster Schalter S1, ein zweiter Schalter S2 und ein dritter Schalter S3 ausgebildet sind. Ist also beispielsweise der erste Schalter S1 geschlossen und die anderen beiden Schalter S2, S3 geöffnet, so sind die beiden Batteriemodulen 28 zueinander in Reihe geschaltet, und ist andernfalls der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite und der dritte Schalter S2, S3 geschlossen, so sind die beiden Batteriemodule 28 zueinander parallel geschaltet. Dies ermöglicht ein paralleles Laden beider Batteriemodule 28 an einer 400 V Gleichstrom-Ladestation, wie dies später näher beschrieben wird. Weiterhin weist diese Schaltungsanordnung 30 zwei Sicherungen 32 als Überstromschutz auf.
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Der erste Energiespeicher 14 und der zweite Energiespeicher 16 sind nun in diesem Beispiel in Bezug auf den Ausgang 18 der Schaltungsanordnung 12 zueinander parallel geschaltet. Der zweite Energiespeicher 12 weist ein Zellmodul 28 auf, welches seinerseits wiederum mehrere Batteriezellen 26 umfassen kann. Durch dieses Zellmodul 28 wird eine am zweiten Energiespeicher 16 abgreifbare Gesamtspannung U2 bereitgestellt, die in diesem Fall ebenfalls 800 V beträgt. Dies entspricht entsprechend auch der am Ausgang 18 abgreifbaren Gesamtspannung U. Dieses Batteriemodul 28 des zweiten Energiespeichers 16 ist über ein als vierter Schalter S4 ausgebildetes Schaltelement mit der HV-Minus-Leitung 34 koppelbar und über zwei parallele Strompfade 36, 38 mit der HV-Plus-Leitung 40. Ein jeweiliger dieser Strompfade 36, 38 umfasst wiederum ein jeweiliges Schaltelement, in diesem Beispiel einen fünften Schalter S5 und einen sechsten Schalter S6. Weiterhin weist der erste Strom pfad 36 einen elektrischen Wiederstand 42 auf, welche größer ist als der Widerstand des zweiten Strompfads 38, insbesondere dessen Leitungswiderstand.
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Weiterhin sind die negativen Potenziale der ersten und zweiten Energiespeicher 14, 16 über ein weiteres Schaltelement in Form eines siebten Schalters S7 miteinander koppelbar und voneinander trennbar. Die positiven Potenziale der beiden Energiespeicher 14, 16 sind ebenfalls über zwei weitere parallele Strompfade 44, 46 koppelbar, denen jeweils wiederum ein Schalterelement in Form eines achten Schalters S8 und eines neunten Schalters S9 zugeordnet ist. Diese beiden Strompfade 44, 46 unterscheiden sich ebenfalls in ihrem elektrischen Widerstand, wobei insbesondere der elektrische Widerstand 48 des Strompfads 44 größer ist als diejenige des Strompfad 46.
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Weiterhin ist die HV-Minus-Leitung 34 sowie die HV-Plus-Leitung 40 jeweils über einen entsprechenden zehnten Schalter S10 und einen elften Schalter S11 mit einem Ladeanschluss 50 gekoppelt, der wiederum an eine externe Stromquelle 52 anschließbar ist. Diese externe Stromquelle 52 stellt in diesem Beispiel eine Ladestation zum Gleichstromladen dar. Ganz analog kann aber auch eine Ladeanschlusseinrichtung zum Laden mit Wechselstrom vorgesehen sein, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit in diesem Beispiel nicht dargestellt ist.
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Weiterhin veranschaulicht hier die Antriebseinheit 20 den Antrieb für die Hinterachse eines Kraftfahrzeugs oder eine Vorderachse eines Kraftfahrzeugs. Es können aber auch zwei solche Antriebseinheiten 20 vorgesehen sein, einen für eine jeweilige Achse des Kraftfahrzeugs. Eine solche weitere hier nicht explizit dargestellte Antriebseinheit 20 kann beispielsweise über den Anschluss 54 mit der Schaltungsanordnung 12 koppelbar sein. Zum Zuschalten dieser weiteren Antriebsmöglichkeit ist ebenfalls ein weiterer Schalter S12 vorgesehen weiterhin ist noch ein zusätzlicher Schalter S13 in der HV-Plus-Leitung 40 zwischen dem ersten Energiespeicher 14 und dem zweiten Energiespeicher 12 angeordnet.
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Der zweite Energiespeicher 16 ist dabei als separate bauliche Einheit ausgebildet und kann damit vorteilhafterweise im Kraftfahrzeug unabhängig vom ersten Energiespeicher 14 an beliebiger Position angeordnet werden, was ein hohes Maß an Flexibilität mit sich bringt. Zudem kann der zweite Energiespeicher 16 je nach Anforderung ausgebildet sein, d.h. je nachdem, ob die Energieversorgungsanordnung 10 in einem Serienfahrzeug oder einem Performancemodell Anwendung finden soll. Ist der zweite Energiespeicher 16 beispielsweise wie hier ebenfalls als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet und soll dieser in einem Serienmodell Anwendung finden, um die Reichweite der Gesamtanordnung zu erhöhen, so werden vorzugsweise für den ersten Energiespeicher 14 sowie für den zweiten Energiespeichers 16 Lithium-Ionen-Zellen 26 mit identischen Eigenschaften gewählt, insbesondere mit gleichem Energieinhalt, gleicher Leistung, gleichem Innenwiderstand, gleicher Systemspannung und gleichem Verhältnis von Leistung zu Energieinhalt. Gleich soll hierbei als innerhalb einer vorbestimmbaren Toleranz, zum Beispiel bis maximal zehn Prozent Abweichung oder bis maximal 5 Prozent Abweichung, übereinstimmend verstanden werden. Soll dagegen die Energieversorgungsanordnung 10 in einem Performancemodell zur Erhöhung der Beschleunigungswerte Anwendung finden, so werden für den zweiten Energiespeicher 12 vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen 26 mit geänderten Eigenschaften gegenüber dem ersten Energiespeicher 14 gewählt, insbesondere solche mit einem geringeren Energieinhalt, einer höheren Leistung, einem kleineren Innenwiderstand und einem höheren Leistung-zu-Energieinhalt-Verhältnis.
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Zur Erhöhung der Beschleunigungswerte können zusätzlich oder anstelle des hier als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildeten zweiten Energiespeichers 12 auch Lithium-Ionen-Kondensatoren und/oder SuperCup-Kondensatoren als Teil des zweiten Energiespeichers 12 verwendet werden.
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Durch die vorteilhafte Verschaltung der beiden Energiespeicher 14, 16, insbesondere durch die zwei parallel bereitgestellten Strompfade 44, 46 bzw. 36, 38 lassen sich zudem besonders vorteilhafte Lade- und Balancing-Strategien umsetzen, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird. 2 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Betriebszustände der Energieversorgungsanordnung 10, insbesondere während des Ladens und während des Fahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kreis 56 symbolisiert hierbei den Ladezyklus. Da der erste und der zweite Energiespeicher 14, 16 zueinander parallel geschaltet sind, sollten die Klemmenspannungen der beiden Energiespeicher 14, 16, d.h. ihre jeweiligen Gesamtspannungen U1, U2 mit einer Toleranz identisch sein. Um dies zu gewährleisten, wird vorteilhafterweise nachfolgend beschriebenes Balancing während der unterschiedlichen Systemzustände angewandt: Wird ein Ladevorgang gestartet, was durch den Pfeil 58 veranschaulicht ist, und wird nun angenommen, dass sich die beiden Gesamtspannungen U1, U2 um weniger als einen vorbestimmten ersten Grenzwert G1 unterscheiden, d.h. die Spannungsdifferenz ΔU ist kleiner als dieser vorbestimmte erste Grenzwert G1, zum Beispiel 0,5 V, so wird der erste Energiespeicher 14 geladen, was durch den Kreis 60 illustriert ist. In diesem Fall sind die Schalter S2, S3, S10 und S11 geschlossen, wobei der geschlossene Schalterzustand durch die 1 symbolisiert wird. Alle übrigen Schalter sind geöffnet. Überschreitet im Zuge des Ladens des ersten Energiespeichers 14 die Spannungsdifferenz ΔU einen vorbestimmten zweiten Grenzwert G2, so wird zu einer Pre-Balancing-Phase, welche durch den Kreis 62 illustriert ist, übergegangen. In dieser Phase sind nun die Schalter S1, S7, S8, S4, S5 geschlossen, was wiederum durch die 1 symbolisiert wird, und alle übrigen Schalter sind geöffnet. In diesem Zustand sind der erste Energiespeicher 14 und der zweite Energiespeicher 16 miteinander elektrisch gekoppelt, sodass der zweite Energiespeicher 16 über den ersten Energiespeicher 14 geladen werden kann, und zwar über die beiden jeweiligen ersten Strompfade 44, 36 mit den gegenüber den jeweiligen zweiten Strompfaden 46, 38 höheren Widerständen 48, 42. Dadurch kann vorteilhafterweise der Ladestrom begrenzt werden, der gerade anfangs aufgrund der noch sehr großen Spannungsdifferenz ΔU sehr hoch ausfallen könnte. Unterschreitet nun im Zuge des Ladens des zweiten Energiespeichers 16 durch den ersten Energiespeicher 14 die Spannungsdifferenz ΔU einen dritten Grenzwert G3, zum Beispiel 2 V, wobei dieser dritte Grenzwert G3 größer ist als der erste Grenzwert G1 und kleiner als der zweite Grenzwert G2, der zum Beispiel 10 V betragen kann, so wird zu einer Balancing-Phase übergegangen, die durch den Kreis 64 illustriert ist. In dieser Phase sind nun die Schalter S1, S7, S9, S4, und S6 geschlossen, und die übrigen Schalter geöffnet. Damit sind nun der erste Energiespeicher 14 und der zweite Energiespeicher 16 über die jeweiligen zweiten Strompfade 46, 38 mit dem geringeren elektrischen Widerständen miteinander gekoppelt und der erste Energiespeicher 14 lädt den zweiten Energiespeicher 16 weiterhin. Diese Phase dauert so lange an, bis die Spannungsdifferenz ΔU letztendlich wieder unter den ersten Grenzwert G1 sinkt, so dass dann wieder mit der Ladephase 60 zum Laden des ersten Energiespeichers 14 übergegangen wird. Dieser Zyklus wiederholt sich nun so lange, bis die Energiespeicher 14, 16 ausreichen geladen sind oder anderweitig der Ladevorgang beendet wird. Das Ende des Ladevorgangs ist in 2 durch den Pfeil 66 veranschaulicht. Mit Beendigung des Ladevorgangs wird zu einem Ruhezustand übergegangen, der durch den Kreis 68 veranschaulicht ist. In diesem Ruhezustand sind nun alle Schalter S1 bis S13 geöffnet, was durch die 0 symbolisiert wird.
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Wird nun ein Fahrvorgang gestartet, zum Beispiel durch Betätigung der Klemme 15 des Kraftfahrzeugs, was durch den Pfeil 70 dargestellt ist, so wird zunächst eine Vorladephase eingeleitet, welche durch den Kreis 72 dargestellt ist. In gleicher Weise wie beim Pre-Balancing sind auch hier die Schalter S1, S7, S8, S4, S5 geschlossen und alle Übrigen geöffnet. Mit anderen Worten wird hier auch wiederum eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher 14 und dem zweiten Energiespeicher 16 über die jeweils ersten Strompfade 44, 36 mit den höheren Widerständen 48, 42 hergestellt. Sobald die Spannungsdifferenz ΔU wiederum kleiner als ein vorbestimmter Grenzwert ist, der in diesem Beispiel gleich dem ersten Grenzwert G1 ist, wird zu einer normalen Fahrphase übergegangen, die durch den Kreis 74 dargestellt ist, und in welcher nunmehr die Schalter S1, S7, S9, S4, S6 geschlossen sind und alle Übrigen geöffnet sind. Diese Schalterstellungen korrespondieren wiederum zu den Schalterstellungen der Balancing-Phase 64. Der erste und der zweite Energiespeicher 14, 16 sind also wiederum über die jeweiligen zweiten Strompfade 46, 38 miteinander gekoppelt. Wird in der Vorladephase 72 oder in der normalen Fahrphase 74 das Kraftfahrzeug wiederum abgeschaltet, was zum Beispiel durch Abschalten der Klemme 15 signalisiert werden kann, was durch die Pfeile 76 illustriert ist, so wird wiederum in den Ruhezustand 68 übergegangen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Zusatzspeichers, d.h. des zweiten Energiespeichers 16 für eine Energieversorgungsanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail. Dieser zweite Energiespeicher 16 ist insbesondere wie bereits zu 1 beschrieben ausgebildet. Zusätzlich sind hier noch gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung Anschlusseinrichtungen, insbesondere eine erste Anschlusseinrichtung 78 und eine zweite Anschlusseinrichtung 80 illustriert. Die erste Anschlusseinrichtung weist dabei einen ersten Eingangsanschluss 82 zum Koppeln mit dem zum ersten Energiespeicher 14 führenden Teil der positiven Potenzialleitung 40 auf, sowie einen ersten Ausgangsanschluss 84 zum Koppeln mit dem zum Ausgang 18 führenden Teil der positiven Potenzialleitung 40. Dabei sind der erste Eingangsanschluss 82 und der erste Eingangsanschluss 82 und der erste Ausgangsanschluss 84 durch eine erste elektrische Leitung 86 miteinander verbunden. Die zweite Anschlusseinrichtung 80 ist in gleicher Weise ausgestaltet. Auch diese weist einen zweiten Eingangsanschluss 88 auf, die mit dem zum ersten Energiespeicher 14 führenden Teil der negativen Potentialleitung 34 koppelbar ist, sowie einen zweiten Ausgangsanschluss 90, der mit dem zum Ausgang 18 führenden Teil der negativen Potentialleitung 34 koppelbar ist, wobei auch hier der zweite Eingangsanschluss 88 und der zweite Ausgangsanschluss 90 durch eine zweite elektrische Leitung 92 miteinander verbunden sind. Die Speichereinheit des zweiten Energiespeichers 16, d.h. in diesem Beispiel das Batteriemodul 28 des zweiten Energiespeichers 16 ist über die beiden parallelen Strompfade 36, 38 mit der ersten elektrischen Leitung 86 gekoppelt bzw. über die Schalter S6 und S5 koppelbar und der andere Pol des Batteriemoduls 28 ist mit der zweiten elektrischen Leitung 92 über den Schalter S4 koppelbar.
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Damit ist die interne Verschaltung des zweiten Energiespeichers 16 so ausgeführt, dass bei Ausfall des Zusatzspeichers, das heißt des zweiten Energiespeichers 16, weiterhin der komplette Antriebsstrang mit Energie, nämlich durch den ersten Energiespeicher 14, versorgt werden kann. Gemäß dieser vorteilhaften Ausbildung der Anschlusseinrichtungen 78, 80 werden also die HV-Leitungen 34, 40 mittels der entsprechenden ersten und zweiten elektrischen Leitungen 86, 92 durchgeschleift. Diese Leitungen 86, 92 sowie die korrespondierenden Ein- und Ausgangsanschlüsse 82, 84, 88, 90 können als jeweilige Buchsen ausgeführt sein, insbesondere auch paarweise als insgesamt zwei Buchsen, und die Bordnetz-Stecker können entweder als jeweils ein Bauteil für den positiven und jeweils ein Bauteil für den negativen HV-Anschluss ausgeführt sein oder alternativ als 4 separate Bordnetz-Stecker. Auf diese Weise kann der zweite Energiespeicher 16 besonders leicht in das Bordnetz integriert und angeschlossen werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Energieversorgungsanordnung 100 mit einer Schaltungsanordnung 112, die wiederum einen ersten Energiespeicher 14 sowie einen zweiten Energiespeicher 16 aufweist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei kann die Energieversorgungsanordnung 100 wie die Energieversorgungsanordnung 10 aus 1 bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede ausgebildet sein.
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In diesem Beispiel sind nunmehr der erste Energiespeicher 14 und der zweite Energiespeicher 16 seriell in Bezug auf den Ausgang 18 geschaltet. Die durch den ersten Energiespeicher 14 bereitstellbare Gesamtspannung U1 kann wiederum zum Beispiel 800 V betragen, während nunmehr in diesem Beispiel die Gesamtspannung U2 des zweiten Energiespeichers 16 deutlich kleiner sein soll als die Gesamtspannung U1 des ersten Energiespeichers 14. Die am Ausgang 18 abgreifbare Gesamtspannung U stellt die Summe der beiden Gesamtspannungen U1 und U 2 dar. Der zweite Energiespeicher 16 weist in diesem Beispiel wiederum ein Batteriemodul 28 mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen 26 auf. Weiterhin sind diesem Batteriemodul 28 zwei Schaltelemente in Form eines vierzehnten Schalters S14 und eines fünfzehnten Schalters S15 seriell vor- und nachgeschaltet. Zum Koppeln mit einer externen Stromquelle 52 sind zwei weitere Pfade mit je einem Schalteinrichtung, nämlich einem sechzehnten und siebzehnten Schalter S16 und S17, vorgesehen. Der zu 1 beschriebene Ladeanschluss 50 korrespondiert hier in 4 nunmehr zum Zwischenanschluss 50a, der über entsprechende Leitungen innerhalb des zweiten Energiespeichers 16 bis zum Ladeanschluss 50, der im Falle eines Ladens mit einer externen Energiequelle gekoppelt wird, weitergeführt werden kann.
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Auch für diese serielle Verschaltung des ersten und zweiten Energiespeichers 14, 16 kann eine gleichmäßige Ladestrategie mit Balancing bereitgestellt werden, wie dies nun anhand von 5 näher erläutert wird. 5 zeigt dabei eine schematische Darstellung verschiedener Betriebszustände der Energieversorgungsanordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hierbei symbolisiert der Kreis 56 wiederum den Ladevorgang. Während des Ladevorgangs 56 werden der erste und der zweite Energiespeicher 14, 16 zeitlich getaktet geladen. Damit kann sichergestellt werden, dass beide Energiespeicher 14, 16 bzw. die darin integrierten Speichermodule bzw. die Lithium-Ionen-Zellen 26 gleichmäßig geladen werden. Ist im vorliegenden Fall der Ladezustand SOC2 des zweiten Energiespeichers 16 größer als der Ladezustand SOC1 des ersten Energiespeichers 14 plus ein vorbestimmter Wert Δ, setzt eine Ladephase 60 zum Laden des ersten Energiespeichers 14 ein. Zu diesem Zweck sind die Schalter S2, S3, S10 und S11 geschlossen, was wiederum durch die 1 symbolisiert wird, und alle übrigen Schalter sind geöffnet. Zum Laden sind dann in diesem Beispiel wiederum die beiden Batteriemodule 28 des ersten Energiespeichers 14 parallel geschaltet. Dies ist jedoch lediglich optional. Wird zum Beispiel mit einer externen 800 V Gleichstromquelle geladen, können die beiden Batteriemodule 28 des ersten Energiespeichers 14 auch beim Laden in Reihe geschaltet sein. Dies gilt insbesondere auch, wenn der erste Energiespeicher 14 zum zweiten Energiespeicher 16 parallel geschaltet ist, wie beispielsweise bei der Energieversorgungsanordnung 10 gemäß 1.
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Der erste Energiespeicher wird nun vorliegend so lange geladen, bis der Ladezustand SUC2 des zweiten Energiespeichers 16 kleiner ist als die Summe aus dem Ladezustand SOC1 des ersten Energiespeichers und des vorbestimmten Werts Δ. Dann wird zu einer Ladephase gewechselt, welche durch den Kreis 94 illustriert ist, und in welcher dann die Schalter S16 und S17 geschlossen werden, während alle Übrigen geöffnet werden, sofern sie dies nicht schon sind. Dies bedeutet nun, dass der zweite Energiespeicher 16 über die externe Energiequelle 52 geladen wird. Diese Phase dauert so lange an, bis wiederum festgestellt wird, dass der Ladezustand SOC2 des zweiten Energiespeichers 16 größer ist als die Summe des Ladezustands SOC1 des ersten Energiespeichers und des vorbestimmten Werts Δ. In dieser Weise wird also der erste sowie der zweite Energiespeicher 14, 16 abhängig von den jeweiligen Ladezuständen SOC1, SOC2 geladen. Wird der Ladevorgang beendet, was wiederum durch den Pfeil 66 illustriert ist, so wird wiederum in den Ruhezustand 68 übergegangen, in welchem alle Schalter S1 bis S17 geöffnet sind. Wird wiederum ein Fahrvorgang gestartet, zum Beispiel durch Betätigen der Klemme 15, was durch den Pfeil 70 illustriert ist, so wird wiederum eine Vorladephase 72 initiiert, in welcher dann zunächst die Schalter S1, S7, S8, S14 und S15 geschlossen sind und alle übrigen geöffnet sind. Dies bedeutet nun, dass der erste Energiespeicher 14 mit dem zweiten Energiespeicher 16 über den ersten Strompfad 44 mit dem höheren Widerstand 48 gekoppelt ist, der zur Strombegrenzung dient. Daran schließt sich wiederum eine normale Fahrphase 74 an, in welcher die Schalter S1, S7, S9, S14 und S15 geschlossen sind und alle Übrigen geöffnet sind, und in welcher dann entsprechend der erste Energiespeicher 14 mit dem zweiten Energiespeicher 16 über den zweiten Strompfad 46 mit dem geringeren elektrischen Widerstand gekoppelt ist. Wird wiederum in der Vorladephase 72 oder in der normalen Fahrphase 74 der Fahrvorgang beendet, zum Beispiel durch Abschalten der Klemme 15, was wiederum durch die Pfeile 76 ist illustriert ist, so wird wieder in den Ruhezustand 68 übergegangen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieflussdiagramms für eine Energieversorgungsanordnung 10, 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zusätzlich zu der Lademöglichkeit mittels einer DC-Ladesteckdose 52 ist hier zusätzlich auch noch eine Lademöglichkeit über eine AC-Ladesteckdose 96 illustriert. Der durch die jeweiligen externen Energiequellen 52, 96 bereitgestellte Ladestrom kann dann entsprechend zunächst durch eine jeweilige Wandlereinrichtung gewandelt werden. Im Falle des Gleichstromladens wird der Ladestrom einem DC/DC-Wandler 52a zugeführt und im Falle des Wechselstrom ladens wird der Ladestrom einem AC/DC-Wandler 96a zugeführt, bevor dieser in das Bordnetz eingespeist wird. Auch sind hier exemplarisch zwei Antriebseinheiten 20, nämlich eine für die Vorderachse und eine für die Hinterachse des Kraftfahrzeugs, dargestellt. Die mit 98 bezeichneten Pfeile illustrieren den möglichen Energiefluss zwischen den einzelnen Komponenten, nämlich dem ersten Energiespeicher 14, dem zweiten Energiespeicher 16, und den externen Energiequellen 52, 96, sowie den jeweiligen Antriebseinheiten 20.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugs 102 mit einer Energieversorgungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, von welcher hier lediglich der zweite Energiespeicher 16 zu sehen ist. Dieser zweite Energiespeicher 16 ist vorzugsweise in einem Crash-geschützten Bauraum innerhalb des Kraftfahrzeugs 102 angeordnet, zum Beispiel im Hinterwagen wie hier dargestellt, oder auch im Unterflur, unter der zweiten oder dritten Sitzreihe des Kraftfahrzeugs 102, im Mitteltunnel und/oder Vorderwagen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele wie durch die Erfindung eine Energieversorgungsanordnung bereitgestellt wird, die durch das Vorsehen einer Zusatzbatterie sowie einer vorteilhaften Verschaltung ermöglicht, die Leistungsziellücke zwischen Serien-Elektrofahrzeugen und Performance-Elektrofahrzeugen zu schließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/062599 A2 [0002]
- WO 2010/039795 A2 [0003]
- DE 102011014924 A1 [0004]
- DE 102015004701 A1 [0005]
- EP 2608393 A1 [0006]
