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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem zum Anschluss an eine Last eines Kraftfahrzeugbordnetzes, aufweisend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, welcher über einen ersten und zweiten Strompfad an ein kapazitives Bauteil der Last geführt oder führbar ist, wobei jeder Strompfad ein Schaltelement aufweist, und eine Vorladeschaltung zum Zuschalten des Energiespeichers an das Bauteil, welche parallel zu dem Schaltelement eines der Strompfade geschaltet ist.
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Ein Kraftfahrzeugbordnetz, wie beispielsweise ein Traktionsnetz, dient der Versorgung von elektrischen Verbrauchern und Geräten eines Kraftfahrzeugs mit einer Betriebsspannung (Bordnetzspannung). Derartige Kraftfahrzeugbordnetze werden in der Regel mittels eines jeweiligen Energiespeichers, beispielsweise in Form eines Batteriesystems der eingangs genannten Art, versorgt. Unter einem solchen Energiespeicher ist hierbei ein elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere in Form einer sogenannten sekundären Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Batterie ist eine umgesetzte (umgewandelte) chemische Energie mittels eines elektrischen Ladevorgangs (Aufladevorgangs) wiederherstellbar.
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Derartige Batterien oder Batteriesysteme sind insbesondere als elektrochemische Akkumulatoren (Akku), beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt, bei welchen eine Anzahl von einzelnen Batterie- oder Akkuzellen zu einem oder mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sein können.
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Bei Kraftfahrzeugen mit einem elektrischem Antriebsmotor, wie beispielsweise bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, werden üblicher Weise sogenannte Traktionsbatterien als elektrochemischen Energiespeicher des Batteriesystems mit einer hohen Batteriespannung im Bereich von beispielsweise 400 V (Volt) eingesetzt. Die elektrische Energie aus dem Batteriesystem wird über einen Zwischenkreis an den Antriebsstrang übertragen. Der Zwischenkreis weist in der Regel ein kapazitives Bauteil in Form eines Zwischenkreiskondensators als zusätzlichen Energiespeicher auf, welcher verschiedene Teilnetze des Kraftfahrzeugbordnetzes auf einer gemeinsamen Strom- oder Spannungsebene über Frequenzumrichter elektrisch miteinander koppelt.
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Zur galvanischen Trennung sowie zum allgemeinen Personenschutz ist es notwendig, dass der elektrochemische Energiespeicher bzw. das Batteriesystem durch Schaltelemente, wie beispielsweise Relais oder Schaltschütze, aktiv zum Kraftfahrzeugbordnetz zugeschaltet und von diesem getrennt werden kann. Zur Vermeidung ungewünschter hoher (Einschalt-)Ströme und Lichtbogenbildung bei einem Zuschalten oder Elektrifizieren des Zwischenkreises, ist es beispielsweise möglich, Vorladeschaltungen vorzusehen und mittels Vorladewiderständen das Spannungsniveau im Zwischenkreis auf das Spannungsniveau des Batteriesystems zu heben, bevor der Energiespeicher des Batteriesystems an den Zwischenkreis angekoppelt wird.
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Typische Vorladeschaltungen zur Begrenzung der Auflade- oder Einschaltströme werden durch eine Reihenschaltung eines Vorladerelais und eines passend dimensionierten Vorladewiderstands realisiert. Die Vorladeschaltung ist hierbei parallel zu dem Schaltelement zur Zuschaltung des Batteriesystems an den Zwischenkreis verschaltet. Die Vorladeschaltung ist beispielsweise in den Minuspfad, also in den mit dem Minuspol des elektrochemischen Energiespeichers kontaktierten Strompfad, und/oder in den Pluspfad, also in den mit dem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers kontaktierten Strompfad, verschaltet.
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Bei einem Zuschalten des Batteriesystems wird beispielsweise zunächst das Schaltelement in dem Pluspfad lastfrei zugeschaltet. Durch ein anschließendes Zuschalten des Vorladerelais der in dem Minuspfad verschalteten Vorladeschaltung wird der Vorladevorgang für den Zwischenkreiskondensator gestartet, wobei der Vorladewiderstand den fließenden elektrischen (Vorlade-)Strom begrenzt. Das zweite Schaltelement, welches parallel zu der Vorladeschaltung in dem Pluspfad geschaltet ist, wird vorzugsweise erst geschlossen, wenn die Spannung des Zwischenkreiskondensators im Zwischenkreis einen vorgegeben Schwellwert erreicht oder überschreitet. Der Schwellwert ist hierbei beispielsweise auf 90% bis 95% der Batteriespannung des Batteriesystems dimensioniert. Abschließend wird das Vorladerelais quasi lastfrei geöffnet und somit die Vorladeschaltung vorzugsweise galvanisch getrennt.
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Durch eine derartige Vorladeschaltung wird sichergestellt, dass das zweite Schaltelement lediglich einen vergleichsweise geringen Strom, bei einer geringen Spannungsdifferenz, schaltet.
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Nachteiligerweise müssen die Bauteile einer derartigen Vorladeschaltung aufgrund des exponentiell abfallenden Vorladestroms höheren technischen Anforderungen genügen, als bei einem konstanten Vorladestrom, da beispielsweise deren thermische Belastung quadratisch mit der Stromstärke des Vorladestroms skaliert. Des Weiteren ist durch die Variation des Vorladewiderstands oder der Vorladezeit lediglich eine eingeschränkte Flexibilität und Skalierbarkeit der Vorladeschaltung hinsichtlich unterschiedlicher Zwischenkreiskapazitäten oder der thermischen Robustheit möglich. Ferner sind die diskreten Bauteile derartiger Vorladeschaltungen in der Regel vergleichsweise bauraumintensiv, so dass Freiheiten in dem verfügbaren Bauraum des Kraftfahrzeugbordnetzes nachteilig reduziert werden.
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Aus der
DE 10 2016 220 118 A1 ist ein Batteriesystem mit einer in einen ersten und zweiten Strompfad verschalteten Trennvorrichtung zum Anschluss an eine Last bekannt. In dem ersten Strompfad ist ein erster Leistungsschalter und in den zweiten Strompfad ist ein zweiter Leistungsschalter als Schaltelemente der Trennvorrichtung geschaltet. Der erste Leistungsschalter ist hierbei als ein Transistor oder als eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren ausgeführt. Der oder die Transistoren bilden hierbei eine Vorladeschaltung der Trennvorrichtung, wobei die Funktionalität des Vorladewiderstands und des Vorladerelais über eine geeignete Ansteuerung der Transistoren realisiert wird.
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Aus der
DE 10 2015 105 428 A1 ist ein Batteriesystem zur elektrischen Verbindung mit einer Last bekannt. Das bekannte Batteriesystem weist eine aktive Vorladeschaltung auf, welche derart mit den Strompfaden verschaltet ist, dass eine aktive Steuerung des Vorladestroms mittels der Vorladeschaltung ermöglicht ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriesystem zum Anschluss an eine Last eines Kraftfahrzeugbordnetzes anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem solchen Batteriesystem, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem anzugeben.
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Hinsichtlich des Batteriesystems wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftfahrzeugbordnetzes mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie hinsichtlich des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Batteriesystem angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Kraftfahrzeugbordnetz sowie das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist zum Anschluss, also für das elektrische Zu- und Abschalten, an eine Last eines Kraftfahrzeugbordnetzes geeignet und eingerichtet. Das Kraftfahrzeugbordnetz ist beispielsweise ein Traktionsnetz, wobei das Batteriesystem hierbei insbesondere für die elektrische Versorgung des Traktionsnetzes ausgeführt ist. Insbesondere ist das Batteriesystem als ein Hochvolt-Spannungsversorgungssystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgeführt.
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Das Batteriesystem weist mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise in Form einer Batterie, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators, oder eines Batteriemoduls mit einer Anzahl von einzelnen Akku- oder Batteriezellen, auf, welcher über einen ersten und zweiten Strompfad an ein kapazitives Bauteil der Last geführt oder führbar ist. Der erste und zweite Strompfad bilden den Pluspfad und den Minuspfad des zwischen dem Energiespeicher und der Last gebildeten Gleichstrom- oder Gleichspannungskreises. Die Last ist insbesondere ein Zwischenkreis, vorzugsweise eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, wobei das kapazitive Bauteil vorzugsweise als ein Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreises ausgeführt ist.
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Zur bedarfsweise galvanischen Trennung des Energiespeichers von der Last sowie zum allgemeinen Personenschutz ist in jedem Strompfad ein insbesondere mechanisches Schaltelement vorgesehen. Parallel zu dem Schaltelement eines der Strompfade ist eine Vorladeschaltung zum Zuschalten des Energiespeichers an das Bauteil geschaltet. Die Vorladeschaltung ist hierbei geeignet und eingerichtet das Spannungsniveau der Last auf das Spannungsniveau des Energiespeichers zu heben, bevor das parallel geschaltete Schaltelement geschlossen wird. Dadurch werden hohe (Einschalt-)Ströme und Lichtbogenbildung am zugeordneten Schaltelement vermieden.
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Die Vorladeschaltung weist erfindungsgemäß eine Reihenschaltung eines Halbleiterschalters und einer Induktivität sowie eines Relais auf. Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriesystem realisiert, welches einerseits eine Vorladung mittels eines steuerbaren Halbleiterschalters, sowie andererseits eine galvanisch Trennung ermöglicht.
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Der Halbleiterschalter ist vorzugsweise als ein Transistor, insbesondere als ein MOS-FET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgeführt. Die Induktivität ist vorzugsweise als eine Spule ausgebildet. Die Induktivität ist hierbei zweckmäßigerweise zwischen dem Halbleiterschalter und dem Relais verschaltet.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Vorlade- oder Einschaltstrom bei einem Zuschalten des Energiespeichers an die Last somit anstelle eines Vorladewiderstands mittels einer geeigneten Ansteuerung des Halbleiterschalters begrenzt oder eingestellt. Unter einem Vorlade- oder Einschaltstrom ist hierbei insbesondere derjenige elektrische Strom zu verstehen, welcher bei einem Zuschalten des Energiespeichers im Zuge eines Vorladeprozesses an die Last zu dem kapazitiven Bauteil fließt.
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Die Ansteuerung des Halbleiterschalters erfolgt vorzugsweise mittels getakteten Strompulsen, insbesondere mittels Pulsweitenmodulation. Dadurch ist eine flexibei variable Schaltfrequenz einstellbar, wodurch der (zeitlich) mittlere Stromfluss des Vorladestroms in Verbindung mit der Induktivität im Wesentlichen unabhängig von der Spannung des kapazitiven Bauteils der Last konstant eingestellt oder geregelt werden kann. Mit anderen Worten ermöglichen der in Reihe geschaltete Halbleiterschalter und die Induktivität, dass das kapazitive Bauteil der Last mit einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Vorladestrom aufladbar ist.
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Im Vergleich zu einer Vorladeschaltung mit einem Vorladewiderstand und mit einem Vorladerelais weist die Vorladeschaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems somit einen reduzierten mittleren Vorladestrom auf, wodurch thermische Verluste an den stromführenden Bauteilen reduziert werden. Des Weiteren ist es somit möglich, die Vorladezeiten des kapazitiven Bauteils beim Zuschalten des Energiespeichers zu reduzieren und/oder die elektronischen Komponenten der Vorladeschaltung kostengünstiger und/oder bauraumkompakter auszulegen. Dadurch werden zusätzliche Freiheiten im Bereich des Kraftfahrzeugbordnetzes geschaffen.
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Weiterhin ist durch die mittels des Halbleiterschalters flexibel einstellbare Anpassung der Aufladeströme - und somit der Auf- oder Vorladezeit des kapazitiven Bauteils - ein optimaler Bauteilschutz bei Überlast oder Missbrauch, wie beispielsweise ein Zündwechselspiel, sichergestellt. Zusätzlich ist eine einfache Skalierbarkeit an unterschiedliche kapazitive Bauteile und Lasten, insbesondere an verschiedene Zwischenkreiskapazitäten und Zwischenkreise, beispielsweise durch Anpassung der Schaltfrequenz des Halbleiterschalters ermöglicht, ohne dass hierfür Bauteile der Vorladeschaltung ausgetauscht werden müssten.
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Um eine galvanische Trennung der Vorladeschaltung zu ermöglichen, ist zusätzlich zu dem Halbleiterschalter und der Induktivität das Relais vorgesehen. Vorzugsweise wird hierbei ein Relais mit speziellen Eigenschaften verwendet. Unter einem solchen Relais mit speziellen Eigenschaften ist insbesondere ein Relais zu verstehen, welches höhere Ströme tragen oder führen kann, als es bei gleicher Spannung schalten kann.
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Bei einem Zuschalten des Batteriesystems wird zunächst das Schaltelement in dem Strompfad ohne Vorladeschaltung lastfrei zugeschaltet. Anschließend wird ein Vorladeprozess, bei welchem das kapazitive Bauteil mit elektrischer Energie vorgeladen wird, bis die anliegende Spannung des Bauteils bzw. der Last in etwa der Spannung des Energiespeichers ist, gestartet.
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Zu Beginn des Vorladeprozesses ist der Halbleiterschalter geöffnet, also sperrend geschaltet. Der Stromfluss bei dem Halbleiterschalter ist im offenen, also im elektrisch sperrend geschalteten Zustand auf dem Niveau dessen Leckstroms, wodurch das Relais funktions- oder batterieseitig bei geringer Stromstärke schaltbar ist. Dadurch ist der sogenannte Schaltstrom des Relais klein dimensionierbar. Nach dem Schalten des Relais wird der Halbleiterschalter angesteuert, und die Stromstärke wird derart hochgeregelt, dass der zulässige Dauerstrom oder Tragstrom des Relais während des Vorladeprozesses nicht überschritten wird.
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Am Ende des Vorladeprozesses wird das der Vorladeschaltung parallel geschaltete Schaltelement geschlossen und somit die angeschlossene Last aus dem Energiespeicher gespeist. Anschließend wird die Ansteuerung des Halbleiterschalters beendet. Somit wird im (Vorlade-)Zweig der Vorladeschaltung erneut der niedrige Leckstrom eingestellt, so dass durch das Öffnen des Relais der Vorladezweig galvanisch getrennt wird. Der Vorladeprozess wird hierbei vorzugsweise beendet, wenn die Spannung am kapazitiven Bauteil der Last etwa 90% bis 95% der Energiespeicherspannung, also der zwischen den Polen des Energiespeichers anliegenden elektrischen Spannung, erreicht oder überschreitet.
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Vorteilhafterweise ist es hierbei möglich, dass je nach zulässigem Schaltstrom des Relais, zum Beispiel ein hochohmiger Kurzschluss (oder eine Veränderung dahingehend) des Halbleiterschalters, also ein Fehlerfall, zuverlässig und einfach erfassbar ist, und somit ein Zuschalten des Relais verhindert werden kann. Dadurch wird die Sicherheit des Batteriesystems erhöht.
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Ebenso ist es möglich, dass im Fehlerfall eines hochohmigen Kurzschlusses des Halbleiterschalters am Ende des Vorladevorgangs das Relais geöffnet wird, solange dessen zulässiger Schaltstrom (diagnostizierbar) nicht überschritten wird. Vorteilhafterweise wird somit selbst im Fehlerfall eine galvanische Trennung der Vorladeschaltung gewährleistet. Dadurch wird stets ein sicherer Betriebszustand des Batteriesystems erreicht.
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In einer geeigneten Weiterbildung weist die Vorladeschaltung ein Sicherungselement auf. Dadurch ist auch für den Fehlerfall eines niederohmigen Kurzschlusses, zum Beispiel des Halbleiterschalters, eine zuverlässige und betriebssichere (galvanische) Unterbrechung der Vorladeschaltung realisiert. Das Sicherungselement ist hierbei vorzugsweise als eine schnell auslösende Schmelzsicherung ausgeführt. Alternativ ist es aber beispielsweise auch denkbar, einen mit Silikon versiegelten Sicherungsdraht, insbesondere einen Bonddraht, mit einem definierten Querschnitt als Sicherungselement einzusetzen.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das Sicherungselement zwischen der Induktivität und dem Relais angeordnet. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige Anordnung des Sicherungselements realisiert.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Vorladeschaltung zumindest teilweise in einen Batteriemanagementcontroller (BMC) des Batteriesystems integriert ist. Der Batteriemanagementcontroller ist insbesondere ein Steuergerät eines Batteriemanagementsystems, welches den Betriebszustand des Energiespeichers überwacht und steuert.
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Der Batteriemanagementcontroller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Vorladevorgangs eingerichtet. Der Batteriemanagementcontroller ist somit konkret dazu eingerichtet, die Schaltelemente der Strompfade sowie den Halbleiterschalter und das Relais der Vorladeschaltung zu steuern und/oder zu regeln. Für die Ansteuerung des Halbleiterschalters weist der Batteriemanagementcontroller beispielsweise eine Treiberschaltung zur Erzeugung von pulsweitenmodulierten Stromsignalen auf, welche an einen Steueranschluss (Gate) des Halbleiterschalters geführt sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Batteriemanagementcontroller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Fahrzeugnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.
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Der Batteriemanagementcontroller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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In einer geeigneten Ausbildung ist das oder jedes Schaltelement als ein Schaltschütz, also als ein elektrischer oder elektromagnetischer Schalter, insbesondere für große elektrische Leistungen, ausgeführt. Dadurch ist ein zuverlässiges Zu- und Abschalten des Batteriesystems an die Last ermöglicht.
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In einer bevorzugten Einbausituation ist das vorstehend beschriebene Batteriesystem Teil eines Kraftfahrzeugbordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeugbordnetz ist hierbei insbesondere ein Kraftfahrzeug-Traktionsnetzes, wobei das Batteriesystem zweckmäßigerweise als ein Hochvolt-Spannungsversorgungssystem ausgebildet ist. Bei der kapazitiven Last handelt es sich hierbei insbesondere um einen Zwischenkreis eines Antriebstrangs, wobei das kapazitive Bauteil ein entsprechender Zwischenkreiskondensator ist. Durch das erfindungsgemäße Batteriesystem ist eine zuverlässige und zeitreduzierte Vorladung des angeschlossenen Zwischenkreiskondensators gewährleistet.
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In einer bevorzugten Anwendung ist das Batteriesystem in einem Kraftfahrzeug eingebaut. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug ein vorstehend beschriebenes Batteriesystem aufweist. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug, vorzugsweise um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Batteriesystem ist hierbei Teil eines Kraftfahrzeug-Traktionsnetzes und insbesondere als ein Hochvolt-Spannungsversorgungssystem ausgebildet. Durch die Vorladeschaltung ist ein besonders schnelles und zuverlässiges Vorladen von angeschlossenen Zwischenkreisen gewährleistet, was sich vorteilhaft auf den Betrieb des Kraftfahrzeugs überträgt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Kraftfahrzeug realisiert.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Batteriesystem.
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Die Figur zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung ein Kraftfahrzeug 2, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 2 weist ein Kraftfahrzeugbordnetz 4 mit einem Batteriesystem 6 und mit einer daran angeschlossenen Last 8 auf. Das Kraftfahrzeugbordnetz 4 ist hierbei insbesondere als ein Traktions-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 2 ausgebildet, wobei die Last 8 ein (Gleichspannungs-)Zwischenkreis eines elektrischen Antriebsstrangs ist. Die Last 8 weist ein kapazitives Bauteil 10 in Form eines schematisch dargestellten Zwischenkreiskondensators auf, welcher als zusätzlicher Energiespeicher des Antriebsstrangs wirkt.
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Das Batteriesystem 6 weist einen elektrochemischen Energiespeicher 12 zur elektrischen Versorgung der Last 8 auf. Der Energiespeicher 12 ist als eine Batterie, insbesondere als ein elektrochemischer Akkumulator (Akku), vorzugsweise als Lithium-Ionen-Akkumulator, oder als ein Batteriemodul, mit einer Anzahl von einzelnen Batterie- oder Akkuzellen, ausgeführt.
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Der Energiespeichers 12 weist einen Pluspol 14 und einen Minuspol 16 auf, welche jeweils an einen Strompfad 18, 20 angeschlossen sind. Der an den Pluspol 14 angeschlossene Strompfad 18 ist nachfolgend auch als Pluspfad und der an den Minuspol angeschlossene Strompfad 20 ist nachfolgend auch als Minuspfad bezeichnet. Der Pluspfad 18 und der Minuspfad 20 sind jeweils an einen Anschluss 22, 24 geführt, mittels welchen das Batteriesystem 6 an die Last 8 angeschlossen ist.
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Zwischen dem Pluspol 14 und dem Anschluss 22 sowie zwischen dem Minuspol 14 und dem Anschluss 24 ist jeweils ein Schaltelement 26, 28 zur galvanischen Trennung des jeweils zugeordneten Strompfades 18, 20 verschaltet. Die mechanischen Schaltelemente 26, 28 sind hierbei insbesondere als Schaltschütze ausgeführt.
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Das Batteriesystem 6 weist weiterhin einen Batteriemanagementcontroller 30, nachfolgend verkürzt auch als Controller bezeichnet, als Steuergerät auf. Der Controller 30 ist hierbei Teil eines Batteriemanagementsystems, welches den Betriebszustand des Energiespeichers 12 überwacht und steuert. In den Controller 30 ist eine Vorladesteuerung 32 als Teil einer Vorladeschaltung 34 integriert.
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Die Vorladeschaltung 34 ist parallel zu dem Schaltelement 28 in den Minuspfad 20 verschaltet. Die Vorladeschaltung 34 ist hierbei geeignet und eingerichtet, das Spannungsniveau der Last 8 im Zuge eines Vorladeprozesses oder Vorladevorgangs in etwa auf das Spannungsniveau des Energiespeichers 12, also im Wesentlichen auf die zwischen dem Pluspol 14 und dem Minuspol 16 anliegende elektrische Spannung, zu heben, bevor das Schaltelement 28 geschlossen wird.
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Die Vorladeschaltung 34 weist eine Reihenschaltung eines Halbleiterschalters 36 und einer Induktivität 38 sowie eines Sicherungselements 40 und eines Relais 42 auf. Der Halbleiterschalter 36 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Transistor, insbesondere als ein MOS-FET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgeführt. Die Induktivität 38 ist vorzugsweise als eine Spule ausgebildet, wobei das Sicherungselement 40 insbesondere als eine Schmelzsicherung ausgeführt ist. Als Relais 42 wird vorzugsweise ein Relais mit speziellen Eigenschaften verwendet, welches höhere Ströme tragen oder führen kann, als es bei gleicher Spannung schalten kann.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Halbleiterschalter 36 und die Induktivität 38 sowie das Sicherungselement 40 der Vorladeschaltung 34 in die Vorladesteuerung 32 des Controllers 30 integriert, wobei das Relais 42 außerhalb des Controllers 30 verschaltet ist. Dies bedeutet, dass die Vorladeschaltung 34 zumindest teilweise in den Controller 30 integriert ist. Ebenso denkbar ist beispielsweise auch eine vollständige Integration der Vorladeschaltung 34 in den Controller 30 oder eine Anordnung der Vorladeschaltung 34 vollständig separat vom Controller 30.
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Zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 36, also zum getakteten Öffnen und Schließen, weist die Vorladesteuerung 32 einen Mikrocontroller 44 auf. Der Mikrocontroller 44 ist hierbei programm- und/oder schaltungstechnisch, beispielsweise zur pulsweitenmodulierten, Ansteuerung des Halbleiterschalters 36 ausgebildet. Der Mikrocontroller 44 erzeugt hierbei im Betrieb getaktete Steuersignale, welche an einen Steueranschluss (Gate) des Halbleiterschalters 36 geführt sind. Dadurch wird der Halbleiterschalter 36 mit einer Schaltfrequenz getaktet geöffnet und geschlossen, also zwischen einem elektrisch leitenden und einem elektrisch sperrenden Zustand umgeschaltet. Durch den Mikrocontroller 44 ist somit eine flexibel variable Schaltfrequenz des Halbleiterschalters 36 einstellbar, wodurch in Verbindung mit der Induktivität 38 ein im Wesentlich konstanter Vorladestrom zur Vorladung des Bauteils 10 ermöglicht ist.
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Bei einem Zuschalten des Batteriesystems 6 und der Last 8 wird zunächst das Schaltelement 26 lastfrei zugeschaltet. Anschließend wird von dem Controller 30 der Vorladeprozess gestartet.
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Zu Beginn des Vorladeprozesses ist der Halbleiterschalter 36 mittels der Mikrocontrollers 44 in einen sperrenden Zustand geschaltet. Der Stromfluss bei dem Halbleiterschalter 36 ist somit auf dem Niveau des Leckstroms. Der Controller 30 schaltet anschließend das Relais 42 in einen geschlossenen, also leitenden Zustand. Anschließend wird der Halbleiterschalter 36 mittels des Mikrocontrollers 44 angesteuert und die Stromstärke durch Variation des Steuersignals derart hochgeregelt, dass der zulässige Dauerstrom (Tragstrom) des Relais 42 während des Vorladeprozesses nicht überschritten wird. Der Vorladestrom wird hierbei mittels des Halbleiterschalters 36 und der Induktivität 38 auf eine (im zeitlichen Mittel) etwa konstanten Stromstärke unterhalb des zulässigen Dauerstroms gesteuert und/oder geregelt.
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Vorzugsweise überwacht der Controller 30 während des Vorladeprozesses das Spannungsniveau der Last 8 bzw. des Bauteils 10. Der Controller 30 vergleicht hierbei das erfasste Spannungsniveau mit einem hinterlegten Schwellwert und beendet den Vorladeprozess, wenn der Schwellwert erreicht oder überschritten wird. Der Schwellwert ist hierbei beispielsweise auf etwa 90% bis 95% der Energiespeicherspannung, also der zwischen den Polen 14, 16 des Energiespeichers 12 anliegenden elektrischen Spannung, dimensioniert.
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Am Ende des Vorladeprozesses wird das Schaltelement 28 geschlossen, und somit die angeschlossene Last 8 aus dem Energiespeicher 12 gespeist. Anschließend wird die Ansteuerung des Halbleiterschalters 36 beendet, und der Halbleiterschalter 26 wird in einen sperrenden Zustand versetzt. Dadurch ist im Strompfad oder Stromzweig der Vorladeschaltung 34 wieder der niedrige Leckstrom eingestellt. Abschließend wird das Relais 42 geöffnet und somit die Vorladeschaltung 34 galvanisch getrennt.
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In einer geeigneten Dimensionierung des Relais 42 beträgt der Schaltstrom etwa 2 A (Ampere) und der Tragstrom etwa 8,5 A bei einer Schaltspannung von ungefähr 500 V (Volt). Das Sicherungselement 40 ist bei einer Ausführung als Schmelzsicherung beispielsweise einen Auslösestrom > 20 A bei einer Gleichspannung > 450 V aufweist. Alternativ kann das Sicherungselement 40 auch als ein Bonddraht ausgeführt sein, welcher beispielsweise eine entsprechende Umhüllung als Schutzmaßnahme gegen auftretende Lichtbögen aufweist, wobei der Bonddraht derart ausgeführt ist, dass er bei einem Überstrom abschmilzt, und somit den elektrischen Pfad öffnet.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Kraftfahrzeugbordnetz
- 6
- Batteriesystem
- 8
- Last
- 10
- Bauteil
- 12
- Energiespeicher
- 14
- Pluspol
- 16
- Minuspol
- 18
- Strom pfad/P luspfad
- 20
- Strompfad/Minuspfad
- 22, 24
- Anschluss
- 26, 28
- Schaltelement
- 30
- Batteriemanagementcontroller/Controller
- 32
- Vorladesteuerung
- 34
- Vorladeschaltung
- 36
- Halbleiterschalter
- 38
- Induktivität
- 40
- Sicherungselement
- 42
- Relais
- 44
- Mikrocontroller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016220118 A1 [0010]
- DE 102015105428 A1 [0011]
