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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung und ein Bordnetz für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Bordnetze von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen weisen in der Regel zwei oder mehr Bordnetzzweige mit unterschiedlich hohen Nennspannungen, sprich einer Niedervoltspannung, wie z. B. 12 Volt, und einer Hochvoltspannung, wie z. B. 400 Volt oder höher, auf. Dabei geht die Entwicklung in Richtung höherer Hochvoltspannung, wie z. B. von 400 Volt auf 800 Volt.
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Dabei besteht der Bedarf, bereits bestehende Systemkomponenten eines hybridelektrischer/elektrischen Mobilitätssystems mit einer vergleichsweise niedrigen Nennspannung, wie z. B. Batterievorrichtungen mit einer Nennausgangsspannung von 400 Volt, mit weiterentwickelten Systemkomponenten desselben Mobilitätssystems mit einer vergleichsweise höheren Nennspannung, wie z. B. elektrischen Traktionsmaschinen mit einer Nenneingangsspannung von 800 Volt, kostengünstig kompatibel zu gestalten. Im Allgemeinen besteht der Bedarf, Systemkomponenten mit unterschiedlichen Nennspannungen eines hybridelektrischen/elektrischen Mobilitätssystems miteinander kostengünstig kompatibel zu gestalten.
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Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der ein Bordnetz eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, insb. eines Brennstoffzellenfahrzeugs, trotz unterschiedlicher Nennspannungen der Systemkomponenten des Bordnetzes kostengünstig und kompatibel zu unterschiedlichen Bordnetzspannungen gestaltet werden kann.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Batterievorrichtung zum Bereitstellen einer Spannung für ein Bordnetz eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs bereitgestellt.
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Die Batterievorrichtung weist zwei erste Stromausgangsanschlüsse zum Bereitstellen der Spannung auf. Ferner weist die Batterievorrichtung mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Batteriezellengruppen auf, die ihrerseits jeweils zwei zweite Stromausgangsanschlüsse und mindestens eine Batteriezelle aufweisen. Dabei ist die mindestens eine Batteriezelle der jeweiligen Batteriezellengruppen zwischen den beiden zweiten Stromausgangsanschlüssen der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen.
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Die Batterievorrichtung weist zudem mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Gleichspannungswandler, insb. in Form von Ab-/Aufwärtswandlern (auf Englisch „Buck-Boost-Converter“), auf, die stromeingangsseitig über jeweils zwei Stromeingangsanschlüsse an den jeweiligen beiden zweiten Stromausgangsanschlüssen der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen sind. Ferner sind die Gleichspannungswandler stromausgangsseitig jeweils über ihre jeweiligen zwei dritten Stromausgangsanschlüsse zwischen den beiden ersten Stromausgangsanschlüssen zueinander seriell (in Reihe) schaltbar elektrisch angeschlossen.
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Die zwei, drei, vier oder mehreren Gleichspannungswandler ersetzen einen einzigen, groß dimensionierten Gleichspannungswandler mit einer entsprechend hohen Übersetzungsleistung und somit einer entsprechend hohen Verlustleistung, der sonst erforderlich ist, um die gesamte Ausgangsspannung der ganzen Batterievorrichtung in eine gewünschte Nennspannung umwandeln zu können. Dabei sind die Gleichspannungswandler dezentral ausgeführt und (idealerweise) jeder der Batteriezellengruppen einzeln zugeordnet. Die Gleichspannungswandler sind eingerichtet, Ausgangsspannungen der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen in einer von mehreren Teilausgangsspannungen umzuwandeln, die dann in Summe die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Batterievorrichtung ausbilden.
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Dabei können die Gleichspannungswandler dank der (hohen) Anzahl und der dezentralen Ausführung vergleichsweise (wesentlich) klein dimensioniert werden und weisen entsprechend eine niedrige Übersetzungsleistung und folglich auch eine niedrige Verlustleistung auf. Dank der dezentralen Ausführung können die Verlustleistungen der einzelnen Gleichspannungswandler, die ohnehin sehr niedrig sind, direkt und somit effizienter abgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Gleichspannungswandler und somit auch die gesamte Batterievorrichtung ohne aufwendige Kühlungssysteme aufgebaut werden können, während bei der Ausführung mit dem einzigen, groß dimensionierten Gleichspannungswandler aufgrund der hohen Verlustleistung ein entsprechend aufwendig ausgebautes und somit kostenintensives Kühlungssystem erforderlich ist.
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Die klein dimensionierten Gleichspannungswandler können zudem unabhängig voneinander in einen Ab- und/oder Aufwärtswandlungsbetrieb (auf Englisch „Buck-/Boost-operation“) ausgeführt werden und somit die erforderlichen Spannungen auf beiden Seiten der Gleichspannungswandler, sprich auf Seiten der Stromquelle und der Stromsenke, erstellen.
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Dadurch kann eine Spannungsumwandlung zwischen bereits bestehenden Systemkomponenten und neuen weiterentwickelten Systemkomponenten hybridelektrischer/elektrischer Mobilitätssysteme mit unterschiedlichen Nennspannungen kostengünstig und zudem auch effizienter gestaltet werden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der ein Bordnetz eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, insb. eines Brennstoffzellenfahrzeugs, trotz unterschiedlicher Nennspannungen bei Systemkomponenten des Bordnetzes kostengünstig kompatibel zu unterschiedlichen Bordnetzspannungen gestaltet werden kann.
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Darüber hinaus ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der die Gleichspannungswandler ohne zusätzliche Schaltungskomponenten Zellspannungen der Batteriezellengruppen ausgleichen können (auf Englisch „Battery Balancing“).
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Zudem können die Batteriezellengruppen der Batterievorrichtung voneinander unabhängig einzeln gesteuert betrieben werden, was zu mehr Schutz für die Batteriezellen und erhöhte Zuverlässigkeit der gesamten Batterievorrichtung führt.
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Außerdem können die Batteriezellengruppen durch eine entsprechend geringfügig erhöhte Anzahl redundant ausgeführt werden. Dadurch kann die Batterievorrichtung insgesamt zuverlässiger ausgeführt werden, da eine oder andere defekten Batteriezellengruppen mit einer entsprechenden Ansteuerung der zugeordneten Gleichspannungswandler durch redundante einwandfreie Batteriezellengruppen ersetzt werden können, ohne dabei die defekten Batteriezellengruppen der Batterievorrichtung manuell (bspw. in einem Werkstatt) durch neue ersetzt werden müssen.
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Die Verlustleistungen, die bei allen der klein dimensionierten Gleichspannungswandler entstehen, sind in Summe niedriger als die eines einzigen entsprechend groß dimensionierten Gleichspannungswandlers. Darüber hinaus können die Verlustleistungen wie bereits erwähnt schneller und somit effizienter abgeführt werden.
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Bspw. weisen die Gleichspannungswandler jeweils eine Schaltanordnung auf. Die Schaltanordnungen sind zwischen einem ersten Schaltmodus MOD1 und einem zweiten Schaltmodus MOD2 umschaltbar eingerichtet. In dem jeweiligen ersten Schaltmodus MOD1 schalten die Schaltanordnungen die jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler in einen Strompfad zwischen den beiden ersten Stromausgangsanschlüssen seriell elektrisch zu. In dem jeweiligen zweiten Schaltmodus MOD2 überbrücken die Schaltanordnungen die jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler und trennen somit die jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen von dem Strompfad elektrisch.
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Bspw. sind die Schaltanordnungen zwischen dem ersten Schaltmodus MOD1, dem zweiten Schaltmodus MOD2 und einem dritten Schaltmodus MOD3 umschaltbar eingerichtet. In dem jeweiligen dritten Schaltmodus MOD3 schalten die Schaltanordnungen die jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler durch und schalten somit die jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen direkt in den Strompfad seriell elektrisch zu. Hierbei bedeutet der Ausdruck „Durchschalten“, dass die jeweiligen Gleichspannungswandler abgeschaltet und lediglich als Stromdurchleitungen für die jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen dienen, sodass die Batteriezellengruppen ohne die jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler direkt in den Strompfad seriell elektrisch angeschlossen sind. In diesem dritten Schaltmodus MOD3 führen die Gleichspannungswandler keine Spannungsumwandlung durch und leiten den von den jeweiligen Batteriezellengruppen bereitgestellten Strom direkt an den Strompfad weiter.
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Bspw. weisen die Gleichspannungswandler jeweils eine Halbbrücke auf, die zwischen den jeweiligen beiden dritten Stromausgangsanschlüssen der jeweiligen Gleichspannungswandler elektrisch angeschlossen sind. Die Halbbrücken weisen jeweils einen ersten, positivspannungsseitigen steuerbaren Halbleiterschalter und jeweils einen zweiten, negativspannungsseitigen steuerbaren Halbleiterschalter auf, die Teil der zuvor genannten Schaltanordnungen sind. Dabei sind der erste und der zweite Halbleiterschalter jeweils über einen Mittelverbindungspunkt der jeweiligen korrespondierenden Halbbrücken zueinander seriell elektrisch angeschlossen. Die Halbbrücken der jeweiligen Gleichspannungswandler sind ferner über den jeweiligen Mittelverbindungspunkt an einem Positivspannungsseitigen der Stromeingangsanschlüsse der jeweiligen Gleichspannungswandler und somit an einem Positivspannungsseitigen der Stromeingangsanschlüsse der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen..
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Bspw. weisen die Gleichspannungswandler ferner jeweils einen dritten steuerbaren Halbleiterschalter auf, der Teil der zuvor genannten Schaltanordnungen ist. Dabei sind die dritten Halbleiterschalter jeweils zwischen dem positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss der jeweiligen Gleichspannungswandler und einem positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen.
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Bspw. wird der erste Schaltmodus MOD1 von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Halbleiterschalter der jeweiligen Gleichspannungswandler in nachfolgenden Schaltstellungen ausgebildet:
- - der erste und der zweite Halbleiterschalter getaktet ein-/ausgeschaltet werden; und
- - der dritte Halbleiterschalter durchgehend eingeschaltet wird.
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Bspw. wird der zweite Schaltmodus MOD2 von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Halbleiterschalter der jeweiligen Gleichspannungswandler in nachfolgenden Schaltstellungen ausgebildet:
- - der erste und der zweite Halbleiterschalter durchgehend eingeschaltet werden; und
- - der dritte Halbleiterschalter durchgehend ausgeschaltet wird.
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Bspw. wird der dritte Schaltmodus MOD3 von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Halbleiterschalter der jeweiligen Gleichspannungswandler in nachfolgenden Schaltstellungen ausgebildet:
- - der erste und der dritte Halbleiterschalter durchgehend eingeschaltet werden; und
- - der zweite Halbleiterschalter durchgehend ausgeschaltet wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bordnetz für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs bereitgestellt.
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Das Bordnetz weist mindestens eine zuvor beschriebene Batterievorrichtung und mindestens einen Stromverbraucher, insb. mindestens einen Hochvoltstromverbraucher, auf. Dabei ist die Batterievorrichtung über die beiden ersten Stromausgangsanschlüsse an dem Stromverbraucher elektrisch angeschlossen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Batterievorrichtung sind, soweit im Übrigen, auf das oben genannte Bordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes anzusehen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Schaltungstopologie ein Bordnetz oder einen Abschnitt davon mit einer Batterievorrichtung gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung; und
- 2 in einer weiteren schematischen Schaltungstopologie einen Gleichspannungswandler der in 1 dargestellten Batterievorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt in einer schematischen Schaltungstopologie ein Bordnetz BN für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug. Das Bordnetz BN weist eine Hochvolt-Batterievorrichtung BV zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Ua für das Bordnetz BN bzw. für einen oder mehrere Hochvolt-Stromverbraucher SV im Bordnetz BN auf.
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Die Batterievorrichtung BV weist zwei erste Stromausgangsanschlüsse A11, A12 auf und stellt beim Betrieb die Ausgangsspannung Ua bereit, die zwischen diesen beiden ersten Stromausgangsanschlüssen A11, A12 anliegt. Der oder die Hochvolt-Stromverbraucher SV sind zwischen den beiden ersten Stromausgangsanschlüssen A11, A12 der Batterievorrichtung BV elektrisch angeschlossen.
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Die Batterievorrichtung BV weist ferner vier (oder mehr) Batteriezellengruppen BG, die jeweils zwei zweite Stromausgangsanschlüsse A21, A22 und zwei oder mehr Batteriezellen aufweisen. Dabei sind die Batteriezellen der jeweiligen Batteriezellengruppen BG zwischen den jeweiligen zweiten Stromausgangsanschlüssen A21, A22 der jeweiligen Batteriezellengruppen BG (und zueinander seriell, parallel oder seriell und parallel) elektrisch angeschlossen. Bei einem seriell und parallelen Anschluss sind die Batteriezellen in Batteriezellenblocks unterteilt, in denen die Batteriezellen zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind. Die Batteriezellenblöcke sind dann zueinander parallel elektrisch angeschlossen. Umgekehrt können die Batteriezellen der einzelnen Batterieblöcke zueinander parallel elektrisch angeschlossen sein, wobei in diesem Fall die Batterieblöcke dann zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind.
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Die Batterievorrichtung BV weist die gleiche Anzahl von Gleichspannungswandlern GW auf. Jeder der Gleichspannungswandler GW ist jeweils einer der Batteriezellengruppen BG zugeordnet und bildet somit mit der jeweiligen Batteriezellengruppe BG jeweils eine Batteriezellengruppe-Gleichspannungswandler-Einheit aus.
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Die Gleichspannungswandler GW weisen jeweils zwei Stromeingangsanschlüsse E1, E2 und jeweils zwei dritte Stromausgangsanschlüsse A31, A32 auf. Stromeingangsseitig sind die Gleichspannungswandler GW jeweils über die jeweiligen beiden Stromeingangsanschlüsse E1, E2 an den jeweiligen beiden zweiten Stromausgangsanschlüssen A21, A22 der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG elektrisch angeschlossen. Stromausgangsseitig sind die die Gleichspannungswandler GW jeweils über die jeweiligen beiden dritten Stromausgangsanschlüsse A31, A32 an einen Strompfad SP zwischen den beiden ersten Stromausgangsanschlüssen A11, A12 zueinander seriell elektrisch zuschaltbar elektrisch angeschlossen.
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2 zeigt in einer weiteren schematischen Schaltungstopologie einen Gleichspannungswandler GW der in 1 dargestellten Batterievorrichtung BV gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform.
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Der Gleichspannungswandler GW ist in dieser Ausführungsform als Ab- und Aufwärtswandler (auf Englisch „Buck-Boost-Converter“) ausgebildet.
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Der Gleichspannungswandler GW weist eine Halbbrücke HB auf, die über einen vierten positivspannungsseitigen und einen vierten negativspannungsseitigen Stromanschlusspunkt A41, A42 zwischen den beiden dritten Stromausgangsanschlüssen A31, A32 des Gleichspannungswandlers GW elektrisch angeschlossen ist. Die Halbbrücke HB weist einen ersten, positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 und einen zweiten, negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2 auf, die in dieser Ausführungsform als Metall-Oxid Halbleiter Feldeffekttransistoren (kurz „MOSFET“), insb. als Si-MOSFETs (also als Siliziumhalbleiterschalter), ausgebildet sind. Dabei sind die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 über einen Mittelverbindungspunkt MP der Halbbrücke HB zueinander seriell zwischen den beiden dritten Stromausgangsanschlüssen A31, A32 elektrisch angeschlossen. Die Halbbrücke HB ist ferner über den Mittelverbindungspunkt MP an einem Positivspannungsseitigen der Stromeingangsanschlüsse E1 des Gleichspannungswandlers GW elektrisch angeschlossen.
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Der Gleichspannungswandler GW weist stromeingangsseitig ferner eine Spule L auf, die zwischen dem Mittelverbindungspunkt MP und dem positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E1 elektrisch angeschlossen ist.
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Der Gleichspannungswandler GW weist stromeingangsseitig zudem einen ersten Kondensator C1 auf, der zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen E1, E2 und somit parallel zu einem Strompfad zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen E1, E2 elektrisch angeschlossen ist, der die Spule L und den zweiten Halbleierschalter HS2 umfasst.
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Der Gleichspannungswandler GW weist stromeingangsseitig zudem einen dritten Halbleiterschalter HS3, der zwischen einem Positivspannungsseitigen der zweiten Stromausgangsanschlüsse A21 und dem positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E1 elektrisch angeschlossen ist. Der dritte Halbleiterschalter HS3 ist in dieser Ausführungsform ebenfalls als ein Metall-Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor (kurz „MOSFET“), insb. als ein Si-MOSFET (also als Siliziumhalbleiterschalter), ausgebildet und ist über seinen Drain-Anschluss mit dem positivspannungsseitigen zweiten Stromausgangsanschlüsse A21 und über seinen Source-Anschluss mit dem positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E1 elektrisch verbunden.
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Der Gleichspannungswandler GW weist stromausgangsseitig einen zweiten Kondensator C2 auf, der zwischen den beiden dritten Stromausgangsanschlüssen A31, A32 und somit parallel zu der Halbbrücke HB elektrisch angeschlossen ist.
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Der Gleichspannungswandler GW weist ferner eine Steuerschaltung SA zum Ansteuern der drei Halbleiterschalter HS1, HS2 und HS3 auf, die steuersignalausgangsseitig mit dem Ansteueranschluss bzw. dem Gate-Anschluss der jeweiligen Halbleiterschalter HS1, HS2 und HS3 signaltechnisch verbunden ist.
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Die Steuerschaltung SA steuert die drei Halbleiterschalter HS1, HS2 und HS3 in der nachfolgend zu beschreibenden Weise und schaltet somit den jeweiligen Gleichspannungswandler GW zwischen einem ersten, einem zweiten und einem dritten Schaltmodus MOD1, MOD2 und MOD3 um:
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Erster Schaltmodus MOD1 des Gleichspannungswandlers GW:
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In diesem ersten Schaltmodus MOD1 wird der jeweilige Gleichspannungswandler GW aktiviert und führt seine primäre Funktion durch, nämlich eine uni-/bidirektionale Spannungsumwandlung zwischen der Batteriespannung Ub der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppe BG und der Wandlerausgangsspannung Ug des jeweiligen Gleichspannungswandlers GW und somit lädt bzw. entlädt die jeweilige Batteriezellengruppe BG (Lade-/Entlademodus). Die Wandlerausgangsspannungen Ug aller aktivierten Gleichspannungswandler GW bilden in Summe die Ausgangsspannung Ua der gesamten Batterievorrichtung BV aus.
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den dritten Halbleiterschalter HS3 durchgehend ein, sodass eine Stromverbindung von der korrespondierenden Batteriezellengruppe BG zu dem Gleichspannungswandler GW hergestellt ist. Ferner schaltet die Steuerschaltung SA den ersten und den zweiten Halbleiterschalter HS1, HS2 mittels pulsweitenmodulierten Steuersignalen in einer dem Fachmann bekannten Weise getaktet ein und aus, so dass die Halbbrücke HB bzw. der Gleichspannungswandler GW zwischen der Batteriespannung Ub der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppe BG und der Wandlerausgangsspannung Ug des jeweiligen Gleichspannungswandlers GW umwandelt (siehe Tabelle 1 1).
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Zweiter Schaltmodus MOD2 des Gleichspannungswandlers GW:
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In diesem zweiten Schaltmodus MOD2 wird der jeweilige Gleichspannungswandler GW überbrückt und somit die jeweilige zugeordnete Batteriezellengruppe BG von dem Bordnetz BN elektrisch getrennt, sodass kein Strom von der entsprechenden Batteriezellengruppe BG in das Bordnetz BN und umgekehrt fließt.
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den ersten und den zweiten Halbleiterschalter HS1, HS2 durchgehend ein und den dritten Halbleiterschalter HS3 durchgehend aus, sodass die Halbbrücke HB die beiden dritten Stromausgangsanschlüsse A31, A32 miteinander elektrisch kurzschließt. Durch den ausgeschalteten dritten Halbleiterschalter HS3 fließt auch kein Strom von oder zu der entsprechenden Batteriezellengruppe BG (siehe Tabelle 1 1).
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Ist die Batterievorrichtung BV mit redundanten Batteriezellengruppen BG ausgestattet, so können diese redundanten Batteriezellengruppen BG durch Überbrücken der jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler GW in den zweiten Schaltmodus MOD2 vorerst von dem Bordnetz BN elektrisch getrennt werden. Als Reserve werden diese Batteriezellengruppen BG erst bei Bedarf durch Schalten der jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler GW in den ersten Schaltmodus MOD1 in das Bordnetz BN dazugeschaltet. Durch das Zuschalten der redundanten Batteriezellengruppen BG können bei Bedarf die gesamte Ausgangsspannung Ua der Batterievorrichtung BV erhöht werden. Alternativ können defekte Batteriezellengruppen BG durch die redundanten Batteriezellengruppen BG ersetzt werden, ohne dass diese von der Batterievorrichtung BV räumlich entfernt werden müssen. In diesem Fall können die defekten Batteriezellengruppen BG durch Überbrücken der jeweiligen korrespondierenden Gleichspannungswandler GW in den zweiten Schaltmodus MOD2 von dem Bordnetz BN elektrisch getrennt werden.
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Dritter Schaltmodus MOD3 des Gleichspannungswandlers GW:
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In diesem dritten Schaltmodus MOD3 wird der jeweilige Gleichspannungswandler GW durchgeschaltet und verbindet die jeweilige zugeordnete Batteriezellengruppe BG direkt mit dem Bordnetz BN elektrisch ohne eine Spannungsumwandlung. In diesem dritten Schaltmodus MOD3 bildet die Batteriespannung Ub der entsprechenden Batteriezellengruppe BG direkt die Ausgangsspannung Ua der gesamten Batterievorrichtung BV bzw. Teil davon aus.
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den ersten und den dritten Halbleiterschalter HS1, HS3 durchgehend ein und den zweiten Halbleiterschalter HS2 durchgehend aus. Dadurch wird der zweite, positivspannungsseitige Stromausgangsanschluss A21 der entsprechenden Batteriezellengruppe BG durchgehend mit dem dritten, positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31 des jeweiligen Gleichspannungswandlers GW elektrisch verbunden (siehe Tabelle 1 1).
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In diesem dritten Schaltmodus MOD3 kann eine Ladungsausgleichung der betroffenen Batteriezellengruppe
BG mit den benachbarten Batteriezellengruppen
BG ohne den zugehörigen Gleichspannungswandler
GW erfolgen.
Tabelle 1: Schaltmodus beim Gleichspannungswandler GW
| Schaltmodus | Halbleiterschalter HS1 | Halbleiterschalter HS2 | Halbleiterschalter HS3 |
| MOD1 | Getaktet ein-/ausgeschaltet | Getaktet ein-/ausgeschaltet | Durchgehend eingeschaltet |
| MOD2 | Durchgehend eingeschaltet | Durchgehend eingeschaltet | Durchgehend ausgeschaltet |
| MOD3 | Durchgehend eingeschaltet | Durchgehend ausgeschaltet | Durchgehend eingeschaltet |
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Die Ladungsausgleichung der einzelnen Batteriezellengruppen BG kann durch einfaches Schalten der Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3 in den ersten oder den dritten Schaltmodus MOD1, MOD3 effizienter gestaltet werden. Insb. kann die Ladungsausgleichung ohne zusätzliche passive oder aktive Schaltungskomponenten erfolgen. Dies reduziert zusätzlich die Herstellungskosten der Batterievorrichtung BV.
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Mit der oben beschriebenen Lösung kann die Ausgangsspannung Ua in einem insgesamt größeren Spannungsbereich breitgestellt werden. Dies erhöht die Gesamtsystemeffizienz der Batterievorrichtung BV zusätzlich.
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Darüber hinaus können für die einzelnen Batteriezellengruppen BG Batteriezellen unterschiedlicher Typen, unterschiedlicher Dimensionierungen sowie unterschiedlicher Ausgangsspannungen Ua verwendet werden. Dadurch kann die Batterievorrichtung BV mit wenigen Einschränkungen und somit noch kostengünstiger hergestellt werden.
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Die Batterievorrichtung BV kann von Ladestationen mit unterschiedlichen Ladespannungen, wie z. B. 400 Volt oder 800 Volt, aufgeladen werden.
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Die Batterievorrichtung BV kann direkt von einer Leistungsfaktorkorrekturfilterstufe (auf Englisch „Power Factor Correction Stage“) und ohne einen Gleichspannungswandler eines On-Board-Ladegeräts aufgeladen werden. Dies führt zu einer erheblichen Kosteneinsparung und einer erheblichen Effizienzsteigerung für elektrisches Laden.
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Die Batterievorrichtung BV kann in nahezu allen Typen von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, einschließlich Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Batterievorrichtung BV in anderen batteriebetriebenen elektrischen Systemen, wie z. B. batteriebetriebenen Elektrowerkzeugen, verwendet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des dritten Halbleiterschalters HS3 einen ersten und einen zweiten ansteuerbaren Umschalter vorgesehen sein, die gemeinsam mit dem ersten und dem zweiten Halbleiterschalter HS1, HS2 und von der Steuerschaltung SA angesteuert den jeweiligen Gleichspannungswandler GW zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schaltmodus MOD1, MOD2 und MOD3 umschalten können.
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Dabei weist der erste Umschalter einen Mittelanschluss, einen ersten und einen zweiten Schaltanschluss auf. Über den Mittelanschluss ist der erste Umschalter an dem dritten, positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31 des Gleichspannungswandlers GW elektrisch angeschlossen. Über den ersten Schaltanschluss (und weiter über den zweiten Umschalter) ist der erste Umschalter an einem positivspannungsseitigen Stromanschluss der Halbbrücke HB elektrisch angeschlossen. Über den zweiten Schaltanschluss ist der erste Umschalter an dem dritten, negativspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A32 des Gleichspannungswandlers GW elektrisch angeschlossen. Der erste Umschalter ist zwischen einer ersten Schaltstellung, in der dieser dessen Mittelanschluss mit dem ersten Schaltanschluss elektrisch verbindet, und einer zweiten Schaltstellung, in der dieser dessen Mittelanschluss mit dem zweiten Schaltanschluss elektrisch verbindet, angesteuert umschaltbar ausgebildet.
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Der zweite Umschalter ist zwischen dem ersten Umschalter bzw. dessen ersten Schaltanschluss und der Halbbrücke HB sowie der korrespondierende Batteriezellengruppe BG elektrisch angeschlossen. Dabei weist der zweite Umschalter analog zu dem ersten Umschalter einen weiteren Mittelanschluss, einen weiteren ersten und einen weiteren zweiten Schaltanschluss auf. Über den Mittelanschluss ist der zweite Umschalter an dem ersten Schaltanschluss des ersten Umschalters elektrisch angeschlossen. Über den ersten Schaltanschluss ist der zweite Umschalter an dem positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E1 des Gleichspannungswandlers GW und somit (direkt und ohne den dritten Halbleiterschalter HS3) an dem zweiten positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A21 der der entsprechenden Batteriezellengruppe BG elektrisch angeschlossen. Über den zweiten Schaltanschluss ist der zweite Umschalter an dem positivspannungsseitigen Stromanschluss der Halbbrücke HB elektrisch angeschlossen. Der zweite Umschalter ist ebenfalls zwischen einer ersten Schaltstellung, in der dieser dessen Mittelanschluss mit dem ersten Schaltanschluss elektrisch verbindet, und einer zweiten Schaltstellung, in der dieser dessen Mittelanschluss mit dem zweiten Schaltanschluss elektrisch verbindet, angesteuert umschaltbar ausgebildet.
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In dieser Ausführungsform mit den beiden Umschaltern schaltet die Steuerschaltung SA den jeweiligen Gleichspannungswandler GW in der nachfolgend zu beschreibenden Weise zwischen den drei Schaltmodi MOD1, MOD2 und MOD3 um:
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Erster Schaltmodus MOD1 des Gleichspannungswandlers GW:
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den ersten Umschalter in die erste Schaltstellung, sodass der Gleichspanungswandler GW über die beiden dritten Stromausgangsanschlüsse A31, A32 seriell an den Strompfad SP im Bordnetz BN elektrisch angeschlossen wird. Ferner schaltet die Steuerschaltung SA den zweiten Umschalter in die zweite Schaltstellung, sodass die korrespondierende Batteriezellengruppe BG über den Gleichspanungswandler GW an den Strompfad SP elektrisch angeschlossen wird. Zur Spannungsumwandung zwischen der Batteriespannung Ub der zugeordneten Batteriezellengruppe BG und der Wandlerausgangsspannung Ug steuert die Steuerschaltung SA die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 der Halbbrücke HB mittels pulsweitenmodulierten Steuersignalen in einer dem Fachmann bekannten Weise getaktet ein und aus (siehe Tabelle 2).
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Zweiter Schaltmodus MOD2 des Gleichspannungswandlers GW:
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den ersten Umschalter in die zweite Schaltstellung, sodass die beiden dritten Stromausgangsanschlüsse A31, A32 des Gleichspannungswandlers GW miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden und der Gleichspannungswandler GW und somit auch die korrespondierende Batteriezellengruppe BG von dem Strompfad SP quasi elektrisch getrennt wird (siehe Tabelle 2).
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Dritter Schaltmodus MOD3 des Gleichspannungswandlers GW:
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA die beiden Umschalter in die erste Schaltstellung. Dadurch wird der Gleichspannungswandler
GW quasi durchgeschaltet und die korrespondierende Batteriezellengruppe
BG über die beiden dritten Stromausgangsanschlüsse
A31,
A32 des Gleichspannungswandlers
GW direkt und seriell an den Strompfad SP elektrisch angeschlossen (siehe Tabelle 2).
Tabelle 2: Schaltmodus beim Gleichspannungswandler GW
| Schaltmodus | Erster Umschalter | Zweiter Umschalter |
| MOD1 | In der ersten Schaltstellung | In der zweiten Schaltstellung |
| MOD2 | In der zweiten Schaltstellung | --- |
| MOD3 | In der ersten Schaltstellung | In der ersten Schaltstellung |
