DE102019007868A1 - Speichereinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, sowie entsprechendes Verfahren zum Betreiben solch einer Speichereinrichtung - Google Patents

Speichereinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, sowie entsprechendes Verfahren zum Betreiben solch einer Speichereinrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Speichereinrichtung (1) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit- einem elektrischen Energiespeicher (2), welcher zwei in Reihe geschaltete Teilstränge (3, 4) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist,- einem Ladeanschluss (5) zum Verbinden der Teilstränge (3, 4) mit einer Ladeeinrichtung, um den elektrischen Energiespeicher (2) mit der elektrischen Energie zu versorgen,- einer Schalteinrichtung (9), welche mit den in Reihe geschalteten Teilsträngen (3, 4) und mit einem Zwischenabgriff (7) zwischen den Teilsträngen (3, 4) elektrisch verbunden ist, und- einem Spannungswandler der Schalteinrichtung zum Aufteilen der elektrischen Energie auf die Teilstränge (3, 4), und zum Umwandeln der Ladespannung (U) der Ladeeinrichtung in eine von der Ladespannung (U) verschiedenen Versorgungsspannung, wobei- die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand den ersten Teilstrang (3) und/oder den zweiten Teilstrang (4) mit der Ladespannung (U) der Ladeeinrichtung zu versorgen, und in einem zweiten Betriebszustand den ersten Teilstrang (3) oder den zweiten Teilstrang (4) mit der Versorgungsspannung zu versorgen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem elektrischen Energiespeicher, welcher zwei in Reihe geschaltete Teilstränge zum Speichern von elektrischer Energie umfasst. Mit einem Ladeanschluss der Speichereinrichtung sind die Teilstränge mit einer Ladeeinrichtung verbindbar, um den elektrischen Energiespeicher mit der elektrischen Energie zu versorgen. Mit einer Schalteinrichtung der Speichereinrichtung, welche mit den in Reihe geschalteten Teilsträngen und mit einem Zwischenabgriff zwischen den Teilsträngen elektrisch verbunden ist, und einem Spannungswandler der Schalteinrichtung zum Aufteilen der elektrischen Energie auf die Teilstränge, und zum Umwandeln der Ladespannung in der Ladeeinrichtung in eine von der Ladespannung verschiedene Versorgungsspannung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Speichereinrichtung, welche einen elektrischen Energiespeicher mit zwei in Reihe geschalteten Teilsträngen zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, wobei die zwei in Reihe geschalteten Teilstränge mit einer Ladeeinrichtung elektrisch verbunden werden, um den elektrischen Energiespeicher mit der elektrischen Energie zu versorgen. Die elektrische Energie wird mit einer Schalteinrichtung auf die zwei Teilstränge aufgeteilt.
  • Die DE 10 2018 000 490 A1 offenbart eine Speichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Energiespeicher, welcher wenigstens zwei in Reihe geschaltete Teilstränge zum Speichern von elektrischer Energie aufweist. Mit wenigstens einem Ladeanschluss, mit welchem die in Reihe geschalteten Teilstränge mit einer Stromquelle verbindbar und mit von der Stromquelle bereitgestellter elektrischer Energie versorgbar und dadurch zu laden sind. Und mit einer Schalteinrichtung ist die Speichereinrichtung ausgebildet, wobei die Schalteinrichtung umschaltbar ist zwischen wenigstens einem ersten Schaltzustand, in welchem einer der Teilstränge elektrisch mit dem Ladeanschluss verbunden und der andere Teilstrang von dem Ladeanschluss elektrisch getrennt ist. Mit einem zweiten Schaltzustand, in welchem der andere Teilstrang elektrisch mit dem Ladeanschluss verbunden und der eine Teilstrang von dem Ladeanschluss getrennt ist. Und mit einem dritten Schaltzustand, in welchem die in Reihe geschalteten Teilstränge elektrisch mit dem Ladeanschluss verbunden sind.
  • Die DE 10 2018 008 604 A1 offenbart einen Hochsetzsteller, der ausgebildet ist, eine gleichgerichtete Wechselspannung in eine vorgegebene Gleichspannung zu wandeln und eine Leistungsfaktorkorrektur auszuführen, zu welchem Zweck der Hochsetzsteller ein erstes Bezugspotential nutzt. Der Hochsetzsteller ist ausgebildet, ein von dem ersten Bezugspotential unterschiedliches zweites Bezugspotential zu nutzen und das Hochsetzstellen in Abhängigkeit von einem Momentanwert der Wechselspannung mit einem jeweiligen der Bezugspotentiale auszuführen, zu welchem Zweck der Hochsetzsteller ausgebildet ist, das erste Bezugspotential über eine Diode und das zweite Bezugspotential unmittelbar zu koppeln.
  • Um ein elektrisch betriebenes Fahrzeug an einer Ladesäule mit einer maximalen Ladespannung von 500 Volt laden zu können, werden zusätzliche Komponenten und Gerätschaften benötigt. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrisch betriebenen Fahrzeug um ein Fahrzeug mit einer Spannungslage von 800 Volt. Um eine Ladefähigkeit des elektrisch betriebenen Fahrzeugs bei 500 Volt erhöhen zu können, wird eine erhöhte Anzahl an Batterievarianten benötigt. Einige DC-Ladesäulen sind aktuell mit einer maximalen Ladespannungsgrenze von 750 Volt versehen. Daher können heutzutage 800 Volt-Fahrzeuge nicht ohne weiteres an diesen speziellen Ladesäulen geladen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speichereinrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem ein vielseitiger und umfänglicherer Ladeprozess für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug unabhängig von einer Ladesäule durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Speichereinrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, wobei die Speichereinrichtung einen elektrischen Energiespeicher, welcher zwei in Reihe geschaltete Teilstränge zum Speichern von elektrischer Energie aufweist.
  • Des Weiteren weist die Speichereinrichtung einen Ladeanschluss zum Verbinden der Teilstränge mit einer Ladeeinrichtung, um den elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie zu versorgen, auf. Ebenso weist die Speichereinrichtung eine Schalteinrichtung auf, welche mit den in Reihe geschalteten Teilsträngen und mit einem Zwischenabgriff zwischen den Teilsträngen elektrisch verbunden ist. Die Speichereinrichtung weist des Weiteren einen Spannungswandler auf, mit welchem die elektrische Energie auf die Teilstränge aufgeteilt werden kann und die Ladespannung der Ladeeinrichtung in eine von der Ladespannung verschiedene Versorgungsspannung umwandelbar ist. Die Speichereinrichtung ist dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebszustand den ersten Teilstrang und/oder den zweiten Teilstrang mit der Ladespannung der Ladeeinrichtung zu versorgen, und in einem zweiten Betriebszustand den ersten Teilstrang oder den zweiten Teilstrang mit der Versorgungsspannung zu versorgen.
  • Dadurch kann insbesondere das elektrisch betriebene Fahrzeug unabhängig von den Spannungslagen des elektrischen Energiespeichers oder einer Ladesäule durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich insbesondere eine umfänglichere Anwendungsmöglichkeit bei einem Ladevorgang eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Insbesondere bei der Auslegung der Dioden oder von Metalloxidfeldeffekttransistoren an den Anschlussständen der Teilstränge auf einen maximalen Ladestrom bei einem 800-Volt-DC-Lader kann komplett ohne zusätzliche Schütze durchgeführt werden. Ebenso kann durch die vorgeschlagene Speichereinrichtung eine Reduzierung des Halbleiterbedarfs ermöglicht werden. Ebenso können auf einen Resonanzkondensator und eine resonanzgeschaltete Umschaltung des Spannungswandlers verzichtet werden. Mit der Speichereinrichtung können insbesondere sanfte Strom-Änderungen beim Wechseln des Ladevorgangs von den Teilsträngen erreicht werden. Insbesondere kann während des Ladevorgangs eine Ausbalancierung der Energieinhalte in den Teilsträngen durchgeführt werden. Durch die Auslegung des Spannungswandlers auf einen kurzen Betrieb während des Wechselns bei einem Laden von den Teilsträngen kann eine Kühlungsanforderung reduziert werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, da nur eine kurzzeitige Wärmeabfuhr notwendig ist. Insbesondere kann eine Vermeidung von einer Umschaltbatterie über Schütze zur Realisierung einer Ladefunktion bei geringeren Gleichspannungsladespannungen als der Summen-Batteriespannung erreicht werden. Ebenso kann eine Vermeidung der Herausforderungen bei Umschaltbatterien ermöglicht werden. Insbesondere können Ausgleichsströme minimiert werden. Insbesondere kann mithilfe der Speichereinrichtung eine Ladeleistung durch Anhebung der Ladespannung auf einen Wert größer als die Spannungen der Teilstränge erhöht werden. Einer Limitierung der Ladeleistung durch die Stromtragfähigkeit eines Ladesteckers einer Ladevorrichtung kann somit durch eine Anhebung der Ladespannung entgegengewirkt werden. Insbesondere kann zwischen den Ladevorgängen der Teilstränge umgeschaltet werden, ohne eine Unterbrechung des Ladevorgangs gegenüber einer DC-Ladesäule. Durch die vorgeschlagene Speichereinrichtung können insbesondere die einzelnen Teilstränge unterschiedliche Spannungslagen aufweisen.
  • Insbesondere müssen die Halbleiterbauteile eines Umschaltnetzwerkes des elektrisch betriebenen Fahrzeugs nur auf die Spannungslage der einzelnen Teilstränge ausgelegt werden. Beispielsweise können dadurch bei einer Spannungslage der Teilstränge von 400 Volt kostengünstige 650-Volt-Bauteile verwendet werden, die zudem geringere Durchlass- und Schaltverluste aufweisen. Ebenso kann mit der Speichereinrichtung eine Reaktionsmöglichkeit beim Auftreten eines Isolationsfehlers im elektrisch betriebenen Fahrzeug zur Vermeidung der Überlastung der Isolation der Ladesäule noch, bevor der Isolationsfehler durch die Isolationswächter der Ladesäule erkannt wird, erhöht werden.
  • Insbesondere kann mit der Speichereinrichtung erreicht werden, dass ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, das über eine Summen-Batteriespannung verfügt, die höher ist als die maximale Ausgangsspannung einer Ladesäule, effizient und einfach geladen werden kann. Beispielsweise kann die Ladefähigkeit eines 800-Volt-Fahrzeugs an einer 500-Volt-Ladesäule erreicht werden. Hierbei kann eine Ladeleistung erzielt werden, die identisch zu der Ladeleistung mit Umschaltbatterien oder höher ist. Beispielsweise kann eine Ladefähigkeit eines 800-Volt-Fahrzeugs an einer 750-Volt-Ladesäule erreicht werden. Dadurch können elektrisch betriebene Fahrzeuge umfänglicher an den unterschiedlichsten Ladesäulen geladen werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Speichereinrichtung, welche einen elektrischen Energiespeicher mit zwei in Reihe geschalteten Teilsträngen zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, wobei die zwei in Reihe geschalteten Teilstränge mit einer Ladeeinrichtung elektrisch verbunden werden, um den elektrischen Energiespeicher mit der elektrischen Energie zu versorgen. Die elektrische Energie wird mit einer Schalteinrichtung auf die zwei Teilstränge aufgeteilt. Der erste Teilstrang und/oder der zweite Teilstrang wird in einem ersten Betriebszustand der Schalteinrichtung mit der Ladespannung versorgt, oder der erste Teilstrang oder der zweite Teilstrang wird in einem zweiten Betriebszustand der Schalteinrichtung mit der Versorgungsspannung versorgt, wobei mit dem Spannungswandler der Speichereinrichtung die Ladespannung der Ladeeinrichtung in die von der Ladespannung verschiedene Versorgungsspannung umgewandelt wird. Mit der vorher geschilderten Speichereinrichtung wird insbesondere das soeben beschriebene Verfahren durchgeführt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Speichereinrichtung zum Versorgen eines ersten Teilstrangs und eines zweiten Teilstrangs mit einer Ladespannung;
    • 2 eine weitere schematische Darstellung der Speichereinrichtung aus 1, wobei hier der erste Teilstrang mit einer Versorgungsspannung oder mit der Ladespannung versorgt wird; und
    • 3 eine weitere schematische Darstellung der Speichereinrichtung aus 2, wobei hier der zweite Teilstrang mit der Versorgungsspannung oder der Ladespannung versorgt wird.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt eine Speichereinrichtung 1 für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Bei dem elektrisch betriebenen Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug. Insbesondere weist das elektrisch betriebene Fahrzeug einen elektrischen Antrieb auf, welcher beispielsweise eine Synchron-Maschine oder eine Asynchron-Maschine umfasst. Die Speichereinrichtung 1 ist insbesondere dazu ausgebildet, einen solchen elektrischen Antrieb des elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Die Speichereinrichtung 1 weist insbesondere einen elektrischen Energiespeicher 2 auf. Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie oder um eine Fahrzeugbatterie des elektrisch betriebenen Fahrzeugs handeln. Der elektrische Energiespeicher 2 weist zwei in Reihe geschaltete Teilstränge 3, 4 zum Speichern von elektrischer Energie auf. Die Speichereinrichtung 1 weist des Weiteren einen Ladeanschluss 5 auf, mit welchem insbesondere die Teilstränge 3, 4 mit einer Ladeeinrichtung elektrisch verbunden werden können. Dadurch kann insbesondere der elektrische Energiespeicher 2 mit der elektrischen Energie versorgt werden. Bei der Ladeeinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Ladesäule oder um eine Ladeinfrastruktur.
  • In diesem Beispiel ist der Ladeanschluss 5 durch ein Ersatzschaltbild einer realen Spannungsquelle dargestellt. Die reale Spannungsquelle umfasst eine ideale Spannungsquelle DC und einen Innenwiderstand R_DC. Beispielsweise kann mithilfe des Ladeanschlusses 5 eine induktive oder konduktive Kopplung zwischen der Speichereinrichtung 1 und der Ladeeinrichtung geschaffen werden. Mit der idealen Spannungsquelle U_DC wird dabei eine Spannung repräsentiert, welche die Speichereinrichtung 1 aus der Ladeeinrichtung erhält. Der Ladeanschluss 5 ist jeweils mit einem Ladeschütz 6 mit der restlichen Speichereinrichtung 1 elektrisch verbindbar. Zudem ist die Speichereinrichtung 1 mit einem Eingangskondensator C parallel zu zwei Polen des Ladeanschlusses 5 beziehungsweise parallel zu der Ladeeinrichtung angeordnet.
  • Die Speichereinrichtung 1 weist den elektrischen Energiespeicher 2 auf, welcher mit den zwei in Reihe geschalteten Teilsträngen 3, 4 repräsentiert wird. Die beiden Teilstränge 3, 4 sind jeweils durch eine jeweiligen Spannungsquelle DC1, DC2 sowie einen jeweiligen Innenwiderstand R2, R3 in der 1 und in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Bei den Teilsträngen 3, 4 handelt es sich insbesondere um einen jeweiligen Teilspeicher des elektrischen Energiespeichers 2. Die Teilstränge 3, 4 können beispielsweise eine oder mehrere Batteriezellen beziehungsweise Akkuzellen umfassen. Die beiden Teilstränge 3, 4 sind bezogen auf die Ladeeinrichtung beziehungsweise den Ladeanschluss 5 in Reihe geschaltet. Zwischen den Teilsträngen 3, 4 ist ein Zwischenabgriff 7 angeordnet. Der Zwischenabgriff 7 ist zwischen dem Minuspol des ersten Teilstrangs 3 und dem Pluspol des zweiten Teilstrangs 4 angeordnet.
  • Parallel zu den Teilsträngen 3, 4 ist ein jeweiliger Halbleiterschalter S1, S2 angeordnet. Der Halbleiterschalter S1 ist zwischen dem Pluspol des Ladeanschlusses 5 und dem Zwischenabgriff 7 angeordnet. Der Halbleiterschalter S2 ist zwischen dem Zwischenabgriff 7 und dem Minuspol des Ladeanschlusses 5 angeordnet. Insbesondere gehören die beiden Halbleiterschalter S1, S2 zu einem Spannungswandler 8 einer Schalteinrichtung 9 der Speichereinrichtung 1. Insbesondere kann mit dem Spannungswandler 8 der Schalteinrichtung 9 die elektrische Energie der Ladeeinrichtung auf die Teilstränge 3, 4 aufgeteilt werden. Insbesondere kann mit dem Spannungswandler eine Ladespannung UL der Ladeeinrichtung in eine von der Ladespannung UL verschiedene Versorgungsspannung umgewandelt werden. Insbesondere ist die Schalteinrichtung 9 dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebszustand den ersten Teilstrang 3 oder den zweiten Teilstrang 4 mit der Ladespannung UL der Ladeeinrichtung zu versorgen, um in einem zweiten Betriebszustand den ersten Teilstrang 3 oder den zweiten Teilstrang 4 mit der Versorgungsspannung zu versorgen.
  • Insbesondere kann durch Schließen des jeweiligen Halbleiterschalters S1, S2 der Schalteinrichtung 9 der jeweils parallel geschaltete Teilstrang 3,4 überbrückt werden. Vorliegend kann durch Schließen des Halbleiterschalters S1 der erste Teilstrang 3 überbrückt werden. Durch Schließen des Halbleiterschalters S2 kann der Teilstrang 4 überbrückt werden. Um einen Kurzschluss im Falle eines Überbrückens eines der Teilstränge 3, 4 zu verhindern, ist zwischen dem Halbleiterschalter S1, S2 und dem jeweils parallel geschalteten Teilstrang 3, 4 eine jeweilige Diode D1, D2 angeordnet. Die Dioden D1, D2 sind für einen Ladestrom aus der Ladeeinrichtung beziehungsweise aus dem Ladeanschluss 5 in Durchflussrichtung angeordnet. Die Diode D1 ist bezüglich einer Spannung des ersten Teilstrangs 3 in Sperrrichtung geschaltet. Die Diode D2 ist bezüglich einer Spannung des zweiten Teilstrangs 4 in Sperrrichtung geschaltet.
  • Insbesondere ist der Spannungswandler 8 als Abwärtswandler, insbesondere als Buck-Converter, ausgebildet.
  • In der 1 ist mit den Stromflusspfeilen 10 der erste Betriebszustand der Schalteinrichtung 9 dargestellt. Insbesondere ist in diesem Beispiel der erste Betriebszustand dargestellt, in welchem der erste Teilstrang 3 und der zweite Teilstrang 4 mit der Ladespannung UL versorgt werden kann. Insbesondere wird hierbei die Ladeeinrichtung auf eine Spannung UL = U1 + U2 kommandiert. Dabei werden die Ladeschütze 6 geschlossen. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Dioden D1, D2 auf den Ladestrom der Ladeeinrichtung ausgelegt sind. Somit wird mithilfe der Ladespannung UL der erste Teilstrang 3 und der zweite Teilstrang 4 permanent mit der Ladespannung L versorgt und dadurch eine permanente Ladung des elektrischen Energiespeichers 2 bewirkt.
  • Sollten beispielsweise die Dioden D1 und D2 auf einen geringeren Strom als den Ladestrom in diesem Betriebszustand ausgelegt sein, so könnten sie über eine Bypass-Schaltung durch die Ladeschütze 6 oder die Halbleiterschalter S1, S2 gespeist werden. In diesem Beispiel sind insbesondere die beiden Halbleiterschalter S1, S2 nicht aktiv geschaltet.
  • In der 2 ist die Speichereinrichtung 1 dargestellt, wobei zwei Betriebszustände der Schalteinrichtung 9 erläutert werden.
  • Zuerst wird der Betriebszustand der Schalteinrichtung 9 beschrieben, in welchem der erste Teilstrang 3 permanent mit der Ladespannung UL versorgt wird. Insbesondere ist in diesem Fall die Voraussetzung gegeben, dass die Ladespannung UL größer gleich der ersten Spannung U1 ist. Speziell wird dabei noch der ohmsche Spannungsabfall berücksichtigt. Insbesondere wird in diesem Fall der Spannungswandler 8 ohne Taktung verwendet. Insbesondere wird hier die Ladeeinrichtung auf eine Ladespannung UL gleich der Spannung U1 kommandiert. Der Halbleiterschalter S2 ist geschlossen und der Halbleiterschalter S1 ist geöffnet. Die Ladeschütze 6 sind geschlossen, damit die Verbindung zu der Ladeeinrichtung hergestellt werden kann. Nun wird der erste Teilstrang 3 mit der Ladespannung UL geladen. Der Ladestrom wird insbesondere in diesem Beispiel über die Ladeeinrichtung geregelt.
  • Als weiteres Beispiel in der 2 ist der Betriebszustand der Schalteinrichtung 9 zu sehen, in welchem der erste Teilstrang 3 in Abhängigkeit von einer Taktung des Spannungswandlers 8 mit der Versorgungsspannung versorgt wird. In diesem Fall ist die Ladespannung UL größer als die erste Spannung U1 des ersten Teilstrangs 3. Hier wird ebenfalls die Ladeeinrichtung auf eine Ladespannung von UL größer U1 kommandiert. Ebenfalls werden die Ladeschütze 6 geschlossen. In diesem Fall wird nun der Halbleiterschalter S2 taktend betrieben. In der Phase während des geschlossenen Halbleiterschalters S2 steigt der Drosselstrom 11 an. Dies geschieht insbesondere während des Drosselstromsaufbaus. In der Phase bei geschlossenem Halbleiterschalter S2 baut sich der Drosselstrom 11 über die Freilaufdiode D1 und die Freilaufdiode des ersten Halbleiterschalters S1 ab. Dies geschieht insbesondere in dem Drosselstromfreilauf. Dadurch wird durch den Drosselstromfreilauf die Versorgungsspannung dem ersten Teilstrang 3 zur Verfügung gestellt, sodass der erste Teilstrang 3 geladen werden kann.
  • Beispielsweise können verschiedene Schaltverfahren zur Darstellung des getakteten Spannungswandlers 6 verwendet werden. Beispielsweise kann mit einem CCM-Modus (Continuous Current Mode) der Fall dargestellt werden, bei welchem der erste Halbleiterschalter S1 und/oder der zweite Halbleiterschalter S2 beim Unterschreiten eines Stromschwellwertes geschaltet werden. Insbesondere schaltet der erste Halbleiterschalter S1 oder der zweite Halbleiterschalter S2 beim Überschreiten eines Schwellwertes aus. Insbesondere ist hier der Stromfluss zur Senke des elektrischen Energiespeichers 2 immer größer 0 Ampere. Dabei ergibt sich folgender Vorteil, dass sich ein geringerer Drosselstrom in der Drossel L einstellt und geringere Anforderungen an Filter der Speichereinrichtung 1 gestellt sind.
  • Ein weiteres Schaltverfahren ist das DCM-Verfahren (Discontinuous Current Mode). Die Halbleiterschalter S1, S2 schalten beim Überschreiten des Schwellwertes aus. Dahingehend schalten die Halbleiterschalter S1 oder S2 bei Erreichen eines stromfreien Zustandes wieder ein. Der Stromfluss zum elektrischen Energiespeicher 2 ist daher für kurze Zeit 0 Ampere. Dadurch können Schaltverluste beim Einschalten vermieden werden.
  • Die 3 zeigt den Betriebszustand der Schalteinrichtung 9, bei welchem der zweite Teilstrang 4 entweder mit der Ladespannung L oder mit der Versorgungsspannung versorgt werden kann.
  • Als erstes wird der Fall beschrieben, bei welchem der zweite Teilstrang 4 mit der Ladespannung UL versorgt werden kann. Hierbei wird zuerst die Ladeeinrichtung auf eine Ladespannung UL = U2 kommandiert. Der Halbleiterschalter S1 ist geschlossen und der Halbleiterschalter S2 ist geöffnet. Die Ladeschütze 6 werden ebenso wie in den bisherigen Beispielen geschlossen. Dadurch kann der zweite Teilstrang 4 mithilfe der Ladeeinrichtung mit der Ladespannung UL geladen werden. Der Ladestrom wird insbesondere über die Ladeeinrichtung geregelt. Insbesondere entstehen hierbei keine Schaltverluste.
  • Des Weiteren ist in der 3 der Fall gezeigt, bei welchem die Ladespannung UL größer als die Spannung U2 des zweiten Teilstrangs 4 ist. Hierbei erfolgt insbesondere die Versorgung des zweiten Teilstrangs 4 in Abhängigkeit von der Taktung des Spannungswandlers 6. In diesem Fall wird die Ladeeinrichtung auf die Ladespannung UL größer U2 kommandiert. Die Ladeschütze 6 sind ebenfalls geschlossen. Der Halbleiterschalter S1 wird taktend betrieben. In der Phase während des geschlossenen Halbleiterschalters S1 steigt der Drosselstrom 11 an. Dies ist insbesondere mit dem Drosselstromaufbau realisiert. In der Phase bei geschlossenem Halbleiterschalter S1 baut sich der Drosselstrom 11 über die Freilaufdiode des zweiten Halbleiterschalters S2 und über die Diode D2 ab. Dies geschieht insbesondere während des Drosselstromfreilaufs. Dadurch kann der zweite Teilstrang 4 während der Drosselstromfreilaufphase mit der Versorgungsspannung geladen werden.
  • Insbesondere erfolgt mithilfe des Spannungswandlers 8 der Schalteinrichtung 9 ein wechselweises Zusammenspiel der Ladevorgänge des ersten Teilstrang 3 und des zweiten Teilstrangs 4. Insbesondere wird wechselweise der erste Teilstrang 3 oder der zweite Teilstrang 4 geladen.
  • Insbesondere kann mit der vorgeschlagenen Speichereinrichtung 1 auf einen Isolationsfehler reagiert werden. Insbesondere erfolgt im Zustand einer intakten Isolation des elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Ladeeinrichtung eine Asymmetrie der HV-Potentiale bezogen auf ein Bezugspotential PE (0 Volt). Diese Asymmetrie führt aber noch nicht zwingend zu einer Überlastung der Isolation der Ladeeinrichtung. Beispielsweise führt eine Spannung von +/- 500 Volt zwischen einem der HV-Potentiale zu dem Bezugspotential PE noch nicht zu einer Überlastung. Dies ist aber nur solange der Fall, solange die Spannung der Teilstränge 3, 4 kleiner oder gleich der maximalen Auslegungsspannung der Isolation ist.
  • Bei einem Isolationsfehler stellt insbesondere nur ein Isolationsfehler im elektrisch betriebenen Fahrzeug eine Gefahr für die Isolation der Ladeeinrichtung dar und nicht umgekehrt. Dies ist vor allem deshalb von Bedeutung, da die höheren Spannungen im elektrisch betriebenen Fahrzeug die Auslegungsspannung der Isolation in der Ladeeinrichtung übersteigen. Umgekehrt wäre dies nicht der Fall. Insbesondere erfolgt beim Ladevorgang die Isolationsüberwachung eines HV-Systems des elektrisch betriebenen Fahrzeugs durch die Ladeeinrichtung. Der Isolationswächter des elektrisch betriebenen Fahrzeugs ist dabei deaktiviert. Der Isolationswächter der Ladeeinrichtung hat immer eine Zeitspanne von ungefähr zwei Minuten. Innerhalb dieser Zeitspanne erfolgt die Detektion des Isolationsfehlers im HV-System. Sobald dies der Fall ist, wird der Ladevorgang gestoppt und die Ladeschütze 6 werden geöffnet. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass während der Zeitspanne von den zwei Minuten die Isolation der Ladeeinrichtung überlastet werden kann. Insbesondere kann innerhalb dieser Zeitspanne die Isolation der Ladeeinrichtung beschädigt und langfristig verschlissen werden. Um insbesondere nun schneller auf einen Isolationsfehler reagieren zu können, wird daher eine Spannungsmessung zwischen einem HV-Pluspotential und dem Bezugspotential und zwischen HV-Minuspotential und dem Bezugspotential eingeführt. Ausgehend von dieser Spannungsmessung kann nun schnell ein Isolationsfehler im elektrisch betriebenen Fahrzeug erkannt werden und in einen sicheren Zustand geschaltet werden.
  • Beispielsweise kann beim Laden des ersten Teilstrangs 3 ein Isolationsfehler zwischen HV-Pluspotential und dem Bezugspotential PE auftreten. Somit entsteht für die Ladeeinrichtung kein kritischer Zustand, da alle Spannungen an ihrer Isolation kleiner insbesondere 500 Volt sind. Dennoch ist es empfehlenswert, aufgrund der Erkennung des Isolationsfehlers durch die Spannungsmessung ein Stoppen des Ladevorgangs und das Öffnen der Ladeschütze 6 zu kommandieren. Tritt der Isolationsfehler hingegen beim Laden von dem zweiten Teilstrang 4 auf, so ist schnell durch die Halbleiterschalter S1 und S2 der Ladevorgang für den ersten Teilstrang 3 einzunehmen und danach der Ladevorgang wie oben beschrieben zu stoppen.
  • Tritt jedoch beim Laden des zweiten Teilstrangs 4 der Isolationsfehler zwischen HV-Minuspotential und dem Bezugspotential PE auf, so entsteht für die Ladeeinrichtung kein kritischer Zustand, da alle Spannungen an ihrer Isolation kleiner 500 Volt sind. Dennoch ist es empfehlenswert, aufgrund der Kenntnis des Isolationsfehlers durch die Spannungsmessung ein Stoppen des Ladevorgangs und ein Öffnen der Ladeschütze 6 zu kommandieren. Tritt ein Isolationsfehler beim Laden des ersten Teilstrangs 3 auf, so ist schnell durch die Halbleiterschalter S1 und S2 der Ladevorgang für den zweiten Teilstrang 4 einzunehmen und danach der Ladevorgang wie gehabt durchzuführen und zu stoppen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Speichereinrichtung
    2
    elektrischer Energiespeicher
    3
    erster Teilstrang
    4
    zweiter Teilstrang
    5
    Ladeanschluss
    6
    Ladeschütze
    7
    Zwischenabgriff
    8
    Spannungswandler
    9
    Schalteinrichtung
    10
    Stromflusspfeile
    11
    Drosselstrom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018000490 A1 [0002]
    • DE 102018008604 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Speichereinrichtung (1) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit - einem elektrischen Energiespeicher (2), welcher zwei in Reihe geschaltete Teilstränge (3, 4) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, - einem Ladeanschluss (5) zum Verbinden der Teilstränge (3, 4) mit einer Ladeeinrichtung, um den elektrischen Energiespeicher (2) mit der elektrischen Energie zu versorgen, - einer Schalteinrichtung (9), welche mit den in Reihe geschalteten Teilsträngen (3, 4) und mit einem Zwischenabgriff (7) zwischen den Teilsträngen (3, 4) elektrisch verbunden ist, und - einem Spannungswandler der Schalteinrichtung zum Aufteilen der elektrischen Energie auf die Teilstränge (3, 4), und zum Umwandeln der Ladespannung (UL) der Ladeeinrichtung in eine von der Ladespannung (UL) verschiedene Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schalteinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand den ersten Teilstrang (3) und/oder den zweiten Teilstrang (4) mit der Ladespannung (UL) der Ladeeinrichtung zu versorgen, und in einem zweiten Betriebszustand den ersten Teilstrang (3) oder den zweiten Teilstrang (4) mit der Versorgungsspannung zu versorgen.
  2. Speichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (8) als Abwärtswandler, insbesondere als Buck-Converter ausgebildet ist.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Speichereinrichtung (1), welche einen elektrischen Energiespeicher (2) mit zwei in Reihe geschalteten Teilsträngen (3, 4) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, wobei - die zwei in Reihe geschalteten Teilstränge (3, 4) mit einer Ladeeinrichtung elektrisch verbunden werden, um den elektrischen Energiespeicher (2) mit der elektrischen Energie zu versorgen, - die elektrische Energie mit einer Schalteinrichtung (9) auf die zwei Teilstränge (3, 4) aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Teilstrang (3) und/oder der zweite Teilstrang (4) in einem ersten Betriebszustand der Schalteinrichtung (9) mit einer Ladespannung (UL) versorgt wird, oder - der erste Teilstrang (3) oder der zweite Teilstrang (4) in einem zweiten Betriebszustand der Schalteinrichtung (9) mit einer Versorgungsspannung versorgt wird, wobei - mit einem Spannungswandler (8) der Schalteinrichtung (9) die Ladespannung (UL) der Ladeeinrichtung in die von der Ladespannung (UL) verschiedene Versorgungsspannung umgewandelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand der Schalteinrichtung (9) der erste Teilstrang (3) und/oder der zweite Teilstrang (4) permanent mit der Ladespannung (UL) versorgt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebszustand der Schalteinrichtung (9) abwechselnd der erste Teilstrang (3) oder der zweite Teilstrang (4) in Abhängigkeit von einer Taktung des Spannungswandlers (8) mit der Versorgungsspannung versorgt wird.
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