DE102019102306A1

DE102019102306A1 - Verfahren und Schaltung zu einem Niedervoltversorgungsstrang mit eigener Spannungsquelle bei einer modularen Batterie

Info

Publication number: DE102019102306A1
Application number: DE102019102306.8A
Authority: DE
Inventors: Tomas Kacetl; Stefan Götz; Jan Kacetl
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer Niedervoltversorgung mit einer modularen Batterie, bei dem die modulare Batterie, bei dem die modulare Batterie mehrere in Strängen angeordnete Batteriemodule aufweist, bei dem ein jeweiliges Batteriemodul mindestens zwei Schalter und mindestens einen Energiespeicher aufweist, bei dem die jeweiligen Stränge an ihrem ersten zweiadrigen Ende zu einem doppelten Neutralpunkt verschaltet sind und an ihrem jeweiligen zweiten Ende eine jeweilige Phase einer Versorgungsspannung in einem Hochvoltsystem bilden, wobei am doppelten Neutralpunkt ein zusätzlicher Niedervoltversorgungsstrang verschaltet wird, wobei in dem Niedervoltversorgungsstrang mindestens ein Modul mit zwei Anschlüssen jeweils auf einer Neutralpunktseite und einer Niedervoltversorgungsseite angeordnet wird, wobei innerhalb des mindestens einen Moduls mindestens zwei Schalter, durch welche mindestens die zwei Anschlüsse auf der Neutralpunktseite von dem doppelten Neutralpunkt trennbar und die zwei Anschlüsse auf der Niedervoltversorgungsseite parallel zum doppelten Neutralpunkt verschaltbar sind, angeordnet werden und wobei in dem mindestens einen Modul parallel zu den Anschlüssen auf der Niedervoltversorgungsseite ein Modulspeicher angeordnet wird. Ferner wird eine das Verfahren realisierende Schaltung beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zu einer zusätzlichen Niedervoltversorgung in Fahrzeugen mit einer modularen Batterie, wobei die Niedervoltversorgung eine eigene Spannungsquelle aufweist.
Traditionelle elektrische Antriebssysteme mit Wechsel- oder Drehstrommotoren in Kraftfahrzeugen setzen in der Regel einfache Konverter zur Erzeugung näherungsweise sinusförmiger Strom- oder Spannungsverläufe für eine Elektromaschine ein. Typischerweise handelt es sich dabei um strom- oder spannungsgesteuerte Zweipunktschaltungen. Stromgesteuerte Zweipunktschaltungen verwenden zumeist Bipolarbauelemente, bspw. Thyristoren, um über Phasenanschnittsteuerung eine Amplitude für die Elektromaschine zu erzeugen. Derartige Schaltungen sind zwar weiterhin in Großantrieben, bspw. in Zügen, verbreitet, neuere Fahrzeuge nutzen jedoch nahezu ausschließlich spannungsgesteuerte Schaltungen. Nachteilig treten bei dieser Form der Strom- bzw. Spannungserzeugung sehr hohe Verzerrungen auf, die Störungen in elektronischen Geräten, Alterung von Antriebskomponenten, Schwingungen und Drehmomentwelligkeit hervorrufen können. Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu umgehen, ist ein Multilevel-Umrichter.
Ein Modularer Multilevelkonverter, auch als MMC abgekürzt, kann dazu eingesetzt werden, durch dynamische Rekonfiguration einer Batterieverschaltung direkt eine Wechselspannung und/oder Multiphasenspannung als eine Versorgungsspannung für einen oder mehrere Verbraucher zu erzeugen. Als Batterie sei dabei die Gesamtheit aller verschalteten Primärzellen, Sekundärzellen, Kondensatoren aller Art oder generell Energiequellen oder Energiespeicher, die lediglich Gleichspannung verwenden, verstanden. Nachteil ist, dass ein MMC in der Regel die Versorgungsspannung in einem Hochvoltbereich über 60 V, typischerweise sogar über 200 V, bereitstellt. Elektrofahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge und weitere Fortbewegungsmittel verfügen jedoch gemeinhin neben einem Hochvoltsystem, welches ein Antriebssystem speist, auch über weitere Energieversorgungssysteme zumeist im Niedervoltbereich. Dabei kann es sich bspw. um eine Beleuchtung, Steuerungen oder Kommunikationseinrichtungen handeln. Weit verbreitet ist in heutigen Fahrzeugen mindestens ein Versorgungssystem mit 12 V, 24 V und/oder 48 V Gleichspannung, wobei aber auch 110 V oder 240 V Wechselspannung zu finden ist, abgreifbar an einer Schuko-Haushaltssteckdose.
Im Gegensatz zu konventionellen Antriebssystemen fehlt allerdings beim MMC ein zentraler Energiespeicher, dessen Gleichspannung als Quelle für die Erzeugung zusätzlicher, unter Umständen auch galvanisch getrennter Niedervoltversorgungssysteme dient. Stattdessen liegen dessen Quellen als eine Vielzahl von verteilten Energiespeichern vor, deren elektrisches Potential zudem während eines Betriebes stark fluktuiert.
Die Druckschrift US 2018/0043789 A1 der Anmelderin offenbart ein über einen modularen Multilevelkonverter bereitgestelltes Mehrphasenbatteriesystem, welches zusätzlich eine Hilfsversorgung in einem Niedervoltbereich bereitstellt. Das Mehrphasenbatteriesystem wird durch mehrere zu einem jeweiligen Strang aneinandergereihte Niedrigvolt-Modulen gebildet, wobei die Stränge auf der einen Seite an einem sogenannten Sternpunkt bzw. Neutralpunkt zusammengeschlossen sind und jeweilig zur anderen Seite eine jeweilige Phase der Versorgungspannung für die Elektromaschine bereitstellen. Auch die US-amerikanische Druckschrift US 2016/0341798 A1 beschreibt hierzu durch mehrere Schaltmodule gebildete Strompfade, welche in einem Sternpunkt miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu einer in der Batterie vorliegenden, in etwa konstanten Gleichspannung der einzelnen Energiezellen, wird durch den voneinander unabhängigen Aufbau von Modul-Strängen eine harmonische Wechselspannung gebildet. Dazu ähnlich wird durch die Druckschrift US 2013/0154521 A1 eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang offenbart, der aus mehreren in Serie geschalteten Batteriemodulen geschaltet ist und ein Wechselstrombatteriesystem bildet.
Nach dem bisherigen Stand der Technik werden aber auch bei einem Multilevelkonverter weitere Versorgungspannungen aus lediglich einem oder wenigen Energiespeichern erzeugt. Dies ist wegen einer ungleichen Belastung und einer damit erhöhten Alterung der jeweiligen teilweise zusätzlich beaufschlagten Energiespeicher nicht erstrebenswert.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltung zu einer Niedervoltversorgung auf der Grundlage verteilter Gleichspannungsenergiespeicher zur Verfügung zu stellen, wobei vermieden werden soll, dass einzelne Energiespeicher sowohl zur Hochvoltversorgung wie auch zur Niedervoltversorgung herangezogen werden. Dabei soll auch vermieden werden, dass einzelne Stränge, in denen Energiespeicher angeordnet sind, unterschiedlich belastet werden. Es soll aber auf jeden Fall sichergestellt werden, dass der Niedervoltversorgungsstrang eine Spannungsversorgung unabhängig von der Hochvoltversorgung zur Verfügung stellt. Gleichzeitig soll das bereitzustellende Niedervoltversorgungssystem ausschließlich Zusatzsystemen vorbehalten sein und nicht zu einer Traktion dienen.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Niedervoltversorgung in Fahrzeugen mit einer modularen Batterie vorgeschlagen, bei dem die modulare Batterie mehrere in Strängen angeordnete Batteriemodule aufweist, bei dem ein jeweiliges Batteriemodul mindestens zwei Schalter und mindestens einen Energiespeicher aufweist, bei dem die jeweiligen Stränge an ihrem ersten zweiadrigen Ende zu einem doppelten Neutralpunkt verschaltet sind und an ihrem jeweiligen zweiten Ende eine jeweilige Phase einer Versorgungsspannung in einem Hochvoltsystem bilden, wobei am doppelten Neutralpunkt ein zusätzlicher Niedervoltversorgungsstrang verschaltet wird, wobei in dem Niedervoltversorgungsstrang mindestens ein Modul mit zwei Anschlüssen jeweils auf einer Neutralpunktseite und einer Niedervoltversorgungsseite angeordnet wird, wobei innerhalb des mindestens einen Moduls mindestens zwei Schalter, durch welche mindestens die zwei Anschlüsse auf der Neutralpunktseite von dem doppelten Neutralpunkt trennbar und die zwei Anschlüsse auf der Niedervoltversorgungsseite parallel zum doppelten Neutralpunkt verschaltbar sind, angeordnet werden und wobei in dem mindestens einen Modul parallel zu den Anschlüssen auf der Niedervoltversorgungsseite ein Modulspeicher angeordnet wird.
Bei dem Fahrzeug kann es sich auch um ein Auto handeln. Bei der modularen Batterie kann es sich um eine Traktionsbatterie, welche eine elektrische Energie zu einem Antrieb des Fahrzeugs bereitstellt, handeln. Die Niedervoltversorgung kann einer Spannungsversorgung bspw. einer Beleuchtung, Nebenaggregaten, Steuerungen oder Kommunikationseinrichtungen dienen.
Insbesondere bei einem Dreiphasenwechselstrombatteriesystem ermöglicht der doppelte Neutralpunkt einen Leistungsbeitrag zu einer jeweiligen Phase durch Batteriemodule entsprechend jeweils anderer Stränge. Außerdem kann der Leistungsaustausch zwischen den Phasen dazu beitragen, eine zweite harmonische Oberschwingung in der Phasenlast an den Batteriemodulen zu unterdrücken und daraus folgend eine Stromwelligkeit und damit verbundene Verluste pro Batteriemodul zu vermindern. Darüber hinaus kann der doppelte Neutralpunkt als Leistungsquelle für ein Zusatzsystem, wie bspw. die Niedervoltversorgung in einem Fahrzeug, dienen. Unter Umständen kann die zusätzliche Last durch das Zusatzsystem am doppelten Neutralpunkt zu einer weiteren Reduktion der zweiten harmonischen Oberschwingung und der Stromwelligkeit beitragen.
Der doppelte Neutralpunkt wird durch einen Zusammenschluss aller positiven Anschlüsse der jeweils ersten Batteriemodule an dem ersten Ende der Stränge zu einem ersten Neutralpunkt und aller negativen Anschlüsse der jeweils ersten Batteriemodule an dem ersten Ende der Stränge zu einem zweiten Neutralpunkt gebildet. Ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Neutralpunkten entspricht dabei dem Spannungsunterschied in dem jeweilig ersten Batteriemodul. Ein Stromfluss durch den doppelten Neutralpunkt ist gleich zu dem Stromfluss, der bei einem einfachen Neutralpunkt fließen würde, nur dass der doppelte Neutralpunkt den Spannungsunterschied aufweist. Durch Stromfluss und Spannungsunterschied wird aber eine Leistung bereitgestellt, zu der ein jeweiliges Batteriemodul eines jeweiligen Stranges, welches zu dem ersten Batteriemodul des jeweiligen Stranges und damit zum doppelten Neutralpunkt parallel geschaltet ist, beitragen kann.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Aufbau des mindestens einen Moduls des Niedervoltversorgungsstranges identisch zu den jeweiligen Batteriemodulen der Stränge gestaltet. Es kann sich dabei bspw. um ein Niedrigvolt-Modul handeln. Viele solcher Niedrigvolt-Module bilden aneinandergereiht in den voneinander teilweise unabhängigen Strängen eine jeweilige Phasenspannung eines Mehrphasen-Hochvoltsystems. Am doppelten Neutralpunkt sind alle Stränge miteinander verbunden, so dass ein Energieaustausch zwischen einzelnen Phasen stattfinden kann. Der doppelte Neutralpunkt wird daher auch englisch als „power and energy backbone“ bezeichnet. Gleichzeitig dient der doppelte Neutralpunkt aber im erfindungsgemäßen Verfahren einer Bereitstellung eines Zuganges zu einem Niedervoltabgriff, indem an ihm erfindungsgemäß ein zusätzlicher Niedervoltversorgungsstrang verschaltet bzw. angekoppelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem jeweilig ersten Batteriemodul des jeweiligen Stranges an dessen ersten zweiadrigen Ende zum doppelten Neutralpunkt der jeweilige Energiespeicher durch die mindestens zwei Schalter gegenüber dem doppelten Neutralpunkt trennbar angeordnet. Dadurch ist es möglich, den doppelten Neutralpunkt unbesetzt von möglichen Energiequellen zu gestalten. Dies fixiert den Spannungsunterschied im doppelten Neutralpunkt, wodurch ein Leistungsübertrag zwischen den Strängen unterbunden wird und man daher eine vollständige Kontrolle über den Leistungsaustausch erhält. Eine wie auch immer gewünschte Besetzung des doppelten Neutralpunktes kann durch eine geeignete Schalterstellung in den jeweiligen Batteriemodulen der Stränge erreicht werden, indem die jeweiligen Energiespeicher parallel in den doppelten Neutralpunkt verschaltet werden.
Umgekehrt kann aber auch durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem in dem mindestens einen Modul des Niedervoltversorgungsstranges die mindestens zwei Schalter so geschaltet werden, dass der Niedervoltversorgungsstrang von dem doppelten Neutralpunkt getrennt ist, vorteilhaft erreicht werden, dass der doppelte Neutralpunkt nicht von den Zusatzlasten auf der Niedervoltversorgungsseite beaufschlagt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft, bei vollständiger Kontrolle über den doppelten Neutralpunkt diesen zu einem Betriebsstart unbesetzt zu lassen und gleichzeitig die Niedervoltversorgung der Zusatzsysteme zu gewährleisten.
Zwar wird durch eine aus dem Stand der Technik bekannte festverdrahtete Parallelschaltung des jeweils ersten Batteriemoduls eines jeweiligen Stranges zu dem doppelten Neutralpunkt der doppelte Neutralpunkt ständig besetzt, wodurch bspw. bei Anschluss einer Niedervoltversorgung eine ständige Versorgung und damit Bereitschaft/Funktionsfähigkeit der Zusatzsysteme gewährleistet werden kann. Eine von Spannungsverhältnissen am doppelten Neutralpunkt unabhängige Gewährleistung der Niedervoltversorgung von Zusatzsystemen wird aber im erfindungsgemäßen Verfahren durch die Bereitstellung des Niedervoltversorgungsstranges erreicht.
Des Weiteren muss das Modul des Niedervoltversorgungsstranges auch nicht eine gesamte Leistung für die Zusatzsysteme bereitstellen, sondern im Niedervoltversorgungsstrang können über seinen Anschluss an den doppelten Neutralpunkt all diejenigen Batteriemodule beaufschlagt werden, die parallel zum doppelten Neutralpunkt verschaltet sind. Ein Energiegehalt im Modul kann auch mit Bezug auf diesen Leistungsaustausch über den doppelten Neutralpunkt ausgerichtet werden. Vorzugsweise wird das Modul parallel zum doppelten Neutralpunkt betrieben, wodurch es möglich ist, bei geschlossener Schalterstellung der von dem Modul umfassten Schalter zwischen Energiespeicher des Moduls und dem doppelten Neutralpunkt die Last auf dem Modul gering zu halten und die Last auf den doppelten Neutralpunkt zu erhöhen.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schalter durch Halbleiterschalter gebildet. Vorzugsweise kann es sich dabei um Niederspannungsschalter, insbesondere MOSFETs, handeln. Das bedeutet, dass eine maximale Spannung, für die die Schalter ausgelegt sein müssen, bspw. 12 V, deutlich unter einer Gesamtspannung des Hochvoltsystems liegt, bspw. 400 V.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das jeweilige Batteriemodul und/oder das mindestens eine Modul des Niedervoltversorgungsstranges durch ein jeweiliges Multilevelkonverter-Modul gebildet. Ein als M2SPC bekannter Multilevelkonverter, synonym auch modularer Multilevelumrichter, veröffentlicht in Goetz, S.M., Peterchev, A.V., Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215 (2015), doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225, erlaubt bspw. eine Parallelverschaltung nicht nur des moduleigenen Energiespeichers, sondern auch von Energiespeichern unterschiedlicher Batteriemodule. Während eines Betriebes ermöglicht der modulare Multilevelkonverter eine dynamische Verschaltung von Batterieteilen, welche aus einzelnen Zellen, mehreren Zellen, bspw. selbst ein kleines Batteriepack, Primärzellen, Sekundärzellen, Kondensatoren, Energiequellen oder Gleichspannungsenergiespeichern gebildet werden. Vorzugsweise können Teilbatterien so zwischen einer Parallelschaltung, einer Serienschaltung, einer Überbrückung (Bypass) und einer Abschaltung einzelner oder mehrerer Teilbatterien umschalten. Insbesondere ermöglicht die Parallelverschaltung von Energiespeichern zum doppelten Neutralpunkt einen Energieaustausch über den doppelten Neutralpunkt, und zwar nicht nur zwischen einzelnen Strängen bzw. Phasen, sondern auch zum Niedervoltversorgungsstrang.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Niedervoltversorgungsstrang zusätzlich an das mindestens eine Modul auf seiner Niedervoltversorgungsseite ein Gleichspannungswandler angeschlossen. Der Gleichspannungswandler kann über die durch das Modul des Niedervoltversorgungsstranges bereitgestellte Spannung von bspw. 12 V hinaus eine weitere Spannungshöhe von bspw. 48 V dem an den Niedervoltversorgungsstrang angekoppelten Zusatzsystem zur Verfügung stellen.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an den Gleichspannungswandler zusätzlich eine Niedervoltbatterie angeschlossen. Um eine Redundanz in der Versorgung der Zusatzsysteme vorzuhalten, wird eine zusätzliche Niedervoltbatterie an den Gleichspannungswandler angeschlossen. Deren Spannungshöhe kann bspw. 12 V betragen.
Ferner wird eine Schaltung zu einer Niedervoltversorgung in Fahrzeugen mit einer modularen Batterie beansprucht, bei dem die modulare Batterie mehrere in Strängen angeordnete Batteriemodule aufweist, bei dem ein jeweiliges Batteriemodul mindestens zwei Schalter und mindestens einen Energiespeicher aufweist, bei dem die jeweiligen Stränge an ihrem ersten zweiadrigen Ende zu einem doppelten Neutralpunkt verschaltet sind und an ihrem jeweiligen zweiten Ende eine jeweilige Phase einer Versorgungsspannung in einem Hochvoltsystem bilden, wobei die Schaltung einen zusätzlichen Niedervoltversorgungsstrang aufweist und dieser mit dem doppelten Neutralpunkt verschaltet ist, wobei der Niedervoltversorgungsstrang mindestens ein Modul mit zwei Anschlüssen jeweils auf einer Neutralpunktseite und einer Niedervoltversorgungsseite aufweist, wobei das mindestens eine Modul mindestens zwei Schalter, durch welche mindestens die zwei Anschlüsse auf der Neutralpunktseite von dem doppelten Neutralpunkt trennbar und die zwei Anschlüsse auf der Niedervoltversorgungsseite parallel zum doppelten Neutralpunkt verschaltbar sind, aufweist und wobei das mindestens eine Modul parallel zu den Anschlüssen auf der Niedervoltversorgungsseite einen Modulspeicher aufweist.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist das mindestens eine Modul des Niedervoltversorgungsstranges identisch zu den jeweiligen Batteriemodulen der Stränge aufgebaut bzw. ausgebildet.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist in einem jeweilig ersten Batteriemodul des jeweiligen Stranges an dessen ersten zweiadrigen Ende zum doppelten Neutralpunkt der jeweilige Energiespeicher durch die mindestens zwei Schalter gegenüber dem doppelten Neutralpunkt trennbar angeordnet.
In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung sind die Schalter Halbleiterschalter.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist das jeweilige Batteriemodul und/oder das mindestens eine Modul des Niedervoltversorgungsstranges ein Multilevelkonverter-Modul.
In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist der Niedervoltversorgungsstrang zusätzlich einen Gleichspannungswandler auf, der an das mindestens eine Modul auf seiner Niedervoltversorgungsseite angeschlossen ist.
In fortgesetzt weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist der Niedervoltversorgungsstrang zusätzlich eine Niedervoltbatterie auf, welche an den Gleichspannungswandler angeschlossen ist.
Schließlich wird eine Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung zu einer Niedervoltversorgung in Fahrzeugen mit einer modularen Batterie beansprucht, bei der ein Stromübertrag mit dem doppelten Neutralpunkt unterbunden wird, dadurch der doppelte Neutralpunkt von dem Niedervoltversorgungsstrang nicht belastet wird, und die Niedervoltversorgung mindestens durch das mindestens eine Modul bzw. dessen Modulspeicher gewährleistet ist. Besonders vorteilhaft ist ein unbelasteter bzw. spannungsfreier doppelter Neutralpunkt genau dann, wenn bspw. ein maximaler Leistungsfluss zu einem Energieübertrag zwischen den jeweiligen Strängen erreicht werden soll.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt in schematischer Darstellung gemäß dem Stand der Technik eine Schaltung eines Dreiphasenwechselstrombatteriesystems.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Dreiphasenwechselstrombatteriesystems mit Niedervoltversorgungsstrang
3 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine symbolhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
6 zeigt in schematischer Darstellung prinzipielle Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine generelle Topologie einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
8 zeigt in schematischer Darstellung zwei Anordnungen eines Halbleiterschalters für eine erfindungsgemäße Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
9 zeigt in schematischer Darstellung eine Induktivität in unterschiedliche Topologien einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
10 zeigt in schematischer Darstellung eine erste vereinfachte Topologie zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
11 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite vereinfachte Topologie zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
12 zeigt in schematischer Darstellung eine erste detaillierte Topologie einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
13 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite detaillierte Topologie einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.
14 zeigt in schematischer Darstellung eine Gegenüberstellung zweier detaillierten Topologien einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges.

In 1 wird in schematischer Darstellung gemäß dem Stand der Technik eine Schaltung eines Dreiphasenwechselstrombatteriesystems 104 gezeigt. Das Dreiphasenwechselstrombatteriesystem 104 wird durch drei Stränge 101, 102, 103 aus aneinandergereihten Batteriemodulen 100 gebildet. Ein jeweilig erstes zweiadriges Ende eines Stranges 101, 102, 103 ist mit einem doppelten Neutralpunkt 106 verschaltet. Ein jeweilig zweites Ende bildet eine jeweilige Phase 108 zu einer Versorgung eines Hochvoltsystems, bspw. einer Traktionselektromaschine eines Fahrzeugs. Eine jeweilige Schaltungsmöglichkeit 110, 120 für ein jeweiliges Batteriemodul 100 des Dreiphasenwechselstrombatteriesystems 104 ist auf der rechten Seite der 1 dargestellt. Die Schaltungsmöglichkeiten 110, 120 stellen jeweils einen modularen Multilevelkonverter mit jeweils acht Halbleiterschaltern 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118 und 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, die in der Figur beispielhaft als MOSFETs gezeichnet wurden. Die beiden Schaltungsmöglichkeiten 110, 120 unterscheiden sich in einer Verschaltung eines jeweiligen Energiespeichers 119, 129. In der Schaltungsmöglichkeit 110 befindet sich der Energiespeicher 119 unmittelbar an einem zweiadrigen Modulanschluss. In der Schaltungsmöglichkeit 120 ist der Energiespeicher 129 auf der einen Seite mit den vier Halbleiterschaltern 121, 123, 125, 127 und auf der anderen Seite mit den vier Halbleiterschaltern 122, 124, 126, 128 verbunden. Mittels geeigneter Schalterstellung der Halbleiterschalter 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118 sowie der Halbleiterschalter 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128 kann der jeweilige modulare Multilevelkonverter 110, 120 zwischen einer Parallelschaltung, einer Serienschaltung, einer Überbrückung und einer Abschaltung einzelner oder mehrerer Teilbatterien umschalten.
In 2 wird in schematischer Darstellung eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung 200 eines Dreiphasenwechselstrombatteriesystems 104 mit Niedervoltversorgungsstrang 204 gezeigt. Die aus aneinandergereihten Batteriemodulen 100 bestehenden Stränge 101, 102, 103 bilden an ihrem ersten zweiadrigen Ende zusammen mit dem Niedervoltversorgungsstrang 204 einen doppelten Neutralpunkt 106. Das jeweilige zweite Ende der Stränge 101, 102, 103 bildet eine jeweilige Phase 108 zu einer Versorgung eines Hochvoltsystems, bspw. einer Traktionselektromaschine eines Fahrzeugs. Der Niedervoltversorgungsstrang 204 weist an seinem Anschluss zum doppelten Neutralpunkt 106 ein Modul 210 auf, das identisch zu den Batteriemodulen 100 gestaltet sein kann, und bspw. ebenfalls einen modularen Multilevelkonverter mit den Schaltungsmöglichkeiten 110, 120 aus 1 bildet. Vorteilhaft wird jedoch die Schaltungsmöglichkeit 120 für die Batteriemodule 100 und ggfs. auch das Modul 210 herangezogen, da hierbei eine schaltungstechnische Trennung des Energiespeichers 129 des jeweiligen Batteriemoduls 100 oder, bei identischem Aufbau, des Moduls 210 möglich ist und somit der doppelte Neutralpunkt 106 zu einem Betriebsstart unbesetzt gestaltet werden kann. Eine erste Niedervoltversorgungsspannung, bspw. mit einer Spannungshöhe von 48 V, kann von Zusatzsystemen, bspw. Beleuchtung, Nebenaggregate, Steuerungen oder Kommunikationseinrichtungen, an einem ersten Niedervoltversorgungsanschluss 212 abgegriffen werden. Diese erste Niedervoltversorgungsspannung wird in der Schaltung 200 redundant durch eine zusätzliche Batterie 206, bspw. mit einer Spannungshöhe von 12 V, abgesichert, um eine durch Zusatzsysteme gebildete Last nicht dem Modul 210 allein aufzubürden, wenn bspw. der doppelte Neutralpunkt 106 nicht beaufschlagt werden soll. Die NiedervoltBatterie 206 stellt auch einen zweiten Niedervoltversorgungsanschluss 202 zur Verfügung. Ein Gleichspannungswandler 208 ermöglicht einen Leistungsübertrag zwischen den beiden Niedervoltversorgungsspannungen und insbesondere zwischen dem doppelten Neutralpunkt 106, dem Modul 210, und der Batterie 206.
In 3 wird in schematischer Darstellung eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung 300 eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges 204 gezeigt. Die Stränge eines Multiphasenwechselstrombatteriesystems 104 mit Batteriemodulen 100 werden durch Bezugszeichen 320 angedeutet. Das Modul 310 des Niedervoltversorgungsstranges 204 ist über Anschlüsse 312, 314 mit dem doppelten Neutralpunkt 106 verbunden. Mit den Schaltern 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308 und dem Modulspeicher 309 stellt das Modul 310 eine Ausgestaltung eines modularen Multilevelkonverters dar. Der Modulspeicher 309 ist parallel unmittelbar zu den Anschlüssen 316 und 318 angeordnet. Um den Niedervoltversorgungsstrang 204 von dem doppelten Neutralpunkt 206 zu trennen, müssen bspw. die Schalter 301, 302, 303, 304 geöffnet sein. Eine Parallelschaltung des Moduls 310 samt seines Modulspeichers 309 zum doppelten Neutralpunkt 106 wird bspw. bei geschlossenen Schaltern 302, 303, 305, 308 bewirkt, während gleichzeitig die Schalter 301, 304, 306, 307 geöffnet sind. Schließlich befindet sich noch an den Anschlüssen 316 und 318 des Moduls 310 ein Gleichspannungswandler 208.
In 4 wird in schematischer Darstellung eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung 400 eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges 204 gezeigt. Die Stränge eines Multiphasenwechselstrombatteriesystems 104 mit Batteriemodulen 100 werden durch Bezugszeichen 320 angedeutet. Das Modul 410 des Niedervoltversorgungsstranges 204 ist über Anschlüsse 412, 414 mit dem doppelten Neutralpunkt 106 verbunden. Mit den Schaltern 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408 und dem Modulspeicher 409 stellt das Modul 410 eine weitere Ausgestaltung eines modularen Multilevelkonverters dar. Der Modulspeicher 409 wird auf der einen Seite mit den vier Halbleiterschaltern 401, 403, 405, 407 und auf der anderen Seite mit den vier Halbleiterschaltern 402, 404, 406, 408 verbunden. Um den Niedervoltversorgungsstrang 204 von dem doppelten Neutralpunkt 106 zu trennen, müssen bspw. die Schalter 401, 402, 403, 404 geöffnet sein. Eine Parallelschaltung des Moduls 410 samt seines Modulspeichers 409 zum doppelten Neutralpunkt 106 wird bspw. bei geschlossenen Schaltern 401, 404, 406, 407 bewirkt, während gleichzeitig die Schalter 402, 403, 405, 408 geöffnet sind. Schließlich befindet sich noch an den Anschlüssen 416 und 418 des Moduls 410 ein Gleichspannungswandler 208.
In 5 wird in schematischer Darstellung eine symbolhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung 500 eines Moduls 510 eines Niedervoltversorgungsstranges (Bezugszeichen 204 in 2) gezeigt. Die Stränge eines Multiphasenwechselstrombatteriesystems 104 mit Batteriemodulen 100 werden durch Bezugszeichen 320 angedeutet. Ein erstes zweiadriges Ende eines Stranges 104 ist mit einem doppelten Neutralpunkt 106 verschaltet, mit dem auch das Modul 510 auf seiner linken Seite verbunden ist. Auf seiner rechten Seite stellt das Modul 510 einen Niedervoltversorgungsanschluss 508 bereit. Das Modul 510 weist dabei mindestens einen Energiespeicher 502 und mindestens zwei steuerbare, bspw. als MOSFET ausgestaltete Halbleiterschalter auf, wovon mindestens einer zum Energiespeicher 502 in Reihe geschaltet ist, hier durch Bezugszeichen 504 benannt. Im Schaltzeichen für den MOSFET 504 ist hier auch die durch baulich bedingte, unterschiedliche Dotierungen im MOSFET 504 intrinsisch vorhandene Body-Diode 506 aufgezeigt, welche man in einer Ersatzschaltung als parallel zu einem leitenden Kanal des MOSFETs 504 zwischen einem Abfluss-Anschluss, englisch „drain“, und einem Quellen-Anschluss, englisch „source“, verschaltete Diode verstehen kann. Insbesondere für einen bspw. als Anfangszustand beim Start des Gesamtsystem vorliegenden Fall, bei dem kein einziger Energiespeicher der Batteriemodule 100 der Stränge 320 mit dem doppelten Neutralpunkt 106 parallel verschaltet ist, stellt das Modul 510 eine Niedervoltversorgung für mindestens ein Zusatzsystem sicher. An den Niedervoltversorgungsanschluss 508 kann ein entsprechender Gleichspannungswandler angeschlossen werden, der die von dem jeweiligen Zusatzsystem angefragte Versorgungsspannung, bspw. 12 V oder 48 V, zur Verfügung stellt. Zwar kann das Modul 510 vom gleichen Typ wie die Batteriemodule 100 vom Multiphasenwechselstrombatteriesystem 104 sein, jedoch sind auch andere Konfigurationen der vom Modul 510 umfassten, mindestens zwei Schalter denkbar, die bspw. vorteilhaft eine völlige Kontrolle einer an dem Energiespeicher 502 anliegenden Last ermöglichen. Gegebenenfalls kann es für manche Aufgabengebiete bspw. von Vorteil sein, einen gegenüber den Batteriemodulen 100 vereinfachte/n Schaltungsaufbau und/oder Ansteuerungselektronik im Modul 510 zu implementieren. Jedenfalls sollte mindestens einer der mindestens zwei Schalter dazu konfiguriert sein, den Energiespeicher 502 des Moduls 510 von der Niedervoltversorgung des mindestens einen Zusatzsystems am Niedervoltversorgungsanschluss 508 trennen zu können, bspw. wenn die Niedervoltversorgung aus an dem doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossenen Batteriemodulen 100 erfolgt, um für diesen Fall ein Aufladen des Energiespeichers 502 zu vermeiden. Dies wird durch die in dem Modul 510 dargestellte Reihenschaltung des Halbleiterschalters 504 und des Energiespeichers 502 bewirkt, da ein geöffneter Halbleiterschalter 504 diese Aufladung verhindert.
In 6 werden in schematischer Darstellung drei prinzipielle Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Schaltung 610, 620 und 630 eines Moduls 510 eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt. Das Modul 510 ist hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. Es weist bei gleicher Funktionalität eine gegenüber den Batteriemodulen 100 vereinfachte Topologie mit zwei Halbleiterschaltern 601 und 602 auf, wobei die Schaltung 610 so zu verstehen ist, dass bei ihr der Halbleiterschalter 602 aus Schaltung 620 dauerhaft geschlossen ist und keine parallele Diode aufweist. In Schaltung 630 befindet sich zusätzlich noch eine Induktivität 603 zwischen dem Halbleiterschalter 601 und dem Energiespeicher (502), welche Stoßströme bei einem Wechsel von Schalterstellungen abmindert. Die Halbleiterschalter 601 und 602 sollen dabei nur symbolhaft angeordnet sein. Eine tatsächliche Ausrichtung eines Anschlusses von Drain und Source des jeweiligen Halbleiterschalters 601 oder 602 sowie der parallel hierzu geschalteten Diode wird der jeweilig gewünschten Funktionalität angepasst. Beispiele hierzu finden sich in den folgenden Figuren.
In 7 wird in schematischer Darstellung eine generelle Topologie einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung 700 eines Moduls 510 eines Niedervoltversorgungsstranges aufgezeigt. Das Modul 510 ist dabei hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. Der hier vereinfacht symbolisch dargestellte Schalter 701 erlaubt, den Energiespeicher 502 von einer Versorgung des mindestens einen an dem Niedervoltversorgungsanschluss 508 angeschlossenen Zusatzsystems zu trennen. Außerdem ist es durch den Schalter 701 möglich, die Aufladung des Energiespeichers 502 über den doppelten Neutralpunkt immer dann zu verhindern, wenn eine Klemmenspannung des Energiespeichers 502 unter der am doppelten Neutralpunkt 106 vorherrschenden Spannung fällt. Der hier vereinfacht symbolisch dargestellte Schalter 702 erlaubt, das mindestens eine an dem Niedervoltversorgungsanschluss 508 angeschlossene Zusatzsystem samt einer möglichen Versorgung über den doppelten Neutralpunkt 106 vom doppelten Neutralpunkt 106 zu trennen. Eine solche Trennung entspricht dem Fall, dass das Multiphasenwechselstrombatteriesystem (Bezugszeichen 104 in 1) und der Niedervoltversorgungsstrang (Bezugszeichen 204 in 2) getrennt voneinander betrieben werden und kein Energietransfer zwischen den Strängen stattfindet. Außerdem ermöglicht ein offener Schalter 702 einen kurzgeschlossenen Betrieb des doppelten Neutralpunktes 106, ohne auch den Niedervoltversorgungsanschluss 508 und damit das mindestens eine Zusatzsystem kurzzuschließen. Eine Realisierung der hier symbolisch gezeigten Schalter 701 und 702 kann bspw. mit Niedervolt-MOSFETs erfolgen. Zusätzlich weist die Schaltung 700 eine Induktivität 703 auf, welche Stoßströme, die bei einer Schließung eines Stromkreises zwischen dem Energiespeicher 502 und dem doppelten Neutralpunkt 106 auftreten können, falls die Spannung der beiden Anschlüsse des doppelten Neutralpunkts 106 höher als die Klemmenspannung des Energiespeichers 502 ist, verhindert. Dementsprechend kann die Induktivität 703 bei Topologien verwendet werden, welche ein gleiches Spannungspotential von doppeltem Neutralpunkt 106 und Energiespeicher 502 aufweisen.
In 8 werden in schematischer Darstellung zwei Anordnungen 810 und 820 eines Halbleiterschalters 504 für eine erfindungsgemäße Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt, wobei der Halbleiterschalter 504 als Niedrigvolt-MOSFET ausgeführt ist. Die unterschiedliche Orientierung des Halbleiterschalters 504 und damit der intrinsischen Body-Diode 506 entspricht einer unterschiedlichen Funktionalität der jeweiligen Anordnung 810 und 820. Über den leitenden Kanal des MOSFETs 504 wird ein Leistungsfluss kontrolliert, wohingegen die Body-Diode 506 mögliche unkontrollierte, sogenannte „natürliche“ Leistungsflüsse bestimmt. Jede mögliche Kombination aus den Anordnungen 810 und 820 für die Schalter 701 und 702 in 7 hat unterschiedliche Eigenschaften des Moduls 510 zur Folge, da die natürlichen Flüsse unterschiedliche Richtungen aufweisen können. Die jeweilige Orientierung der Halbleiterschalter 504 kann daher darauf ausgelegt werden, dass natürliche Leistungsflüsse einen sicheren Betrieb befördern. In der Anordnung 810 ergibt sich für den Fall, dass eine zwischen dem Quellen-Anschluss und einem durch das Schaltzeichen für Masse angezeigten Referenzpotential vorherrschende Spannungsdifferenz 814 größer als eine zwischen dem Abfluss-Anschluss und dem Referenzpotential vorherrschende Spannungsdifferenz 816 ist, eine durch einen Pfeil 812 dargestellte Richtung des natürlichen Leistungsflusses in der Body-Diode 506. Umgekehrt ergibt sich in der Anordnung 820, wobei der Halbleiterspeicher 504 gegenüber der Anordnung 810 um 180° zwischen den Anschlüssen gedreht wurde, für den Fall, dass eine zwischen dem Quellen-Anschluss und einem durch das Schaltzeichen für Masse angezeigten Referenzpotential vorherrschende Spannungsdifferenz 826 größer als eine zwischen dem Abfluss-Anschluss und dem Referenzpotential vorherrschende Spannungsdifferenz 824 ist, eine durch einen Pfeil 822 dargestellte Richtung des natürlichen Leistungsflusses in der Body-Diode 506, welche eine gegenüber dem Pfeil 812 entgegengesetzte Richtung aufweist. Ein solches Leitungsverhalten eines geschlossenen Halbleiterschalters 504 kann im jeweiligen Fall - bis auf die durch die Orientierung bedingten Eigenschaften - im Ersatzschaltbild auch durch eine eine Festverdrahtung repräsentierende Leitungslinie dargestellt werden.
In 9 werden in schematischer Darstellung 900 eine Induktivität 703 in unterschiedlichen Topologien 910, 921 und 922 einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt. Das jeweilige Modul weist eine Reihenschaltung des Energiespeichers 502, der Induktivität 703 und des jeweiligen MOSFETs 912 oder 923 auf, wobei der zweite MOSFET, bspw. Bezugszeichen 602 in 6, für die Betrachtungen hier geschlossen sein soll und zwischen dem Anschluss 901 und dem Anschluss zum doppelten Neutralpunkt 106 als eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Generell verhindert ein Freilauf in der Induktivität 703 eine Belastung des MOSFETs 912, 923 durch Stoßströme oder Überspannungen. In der Topologie 910 ist zusätzlich zwischen einem Anschluss 902 und einem Anschluss 903 eine Diode 911 geschaltet. In der Topologie 921 mit gegenüber der Topologie 910 umgekehrtem MOSFET 923, überbrückt die zwischen den Anschlüssen 903 und 904 geschaltete Diode 924 die Induktivität 703 für den Fall, dass der Energiespeicher 502 geladen wird. In der Topologie 922 verhindert eine zwischen dem Anschluss 902 und dem Anschluss 903 geschaltete Transient-Voltage-Suppressor-Diode 925, abgekürzt TVS-Diode die Überspannung, ohne dabei die Funktionalität der Induktivität 703 für jede Richtungsart des Leistungsflusses, also sowohl den Energiespeicher 502 ladend wie entladend, zu beeinträchtigen.
In 10 wird in schematischer Darstellung 1000 eine erste vereinfachte Topologie zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls 1010 oder 1020 eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt. Das jeweilige Modul 1010 und 1020 ist dabei hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. Die erste vereinfachte Topologie 1010 weist nur einen MOSFET 912 auf. Der zweite MOSFET, bspw. Bezugszeichen 602 in 6, soll für die Betrachtungen hier geschlossen sein und wird zwischen dem Anschluss 901 und dem Anschluss zum doppelten Neutralpunkt 106 als eine durchgezogene Linie dargestellt. Eine Polarität der Body-Diode des MOSFETs 912 erlaubt eine ununterbrochene Versorgung des mindestens einen Zusatzsystems, selbst wenn sich der MOSFET 912 in einem geöffneten Zustand befindet. Ein Leistungsaustausch zwischen dem doppelten Neutralpunkt 106 und dem Modul 1010 oder 1020 kann neutral über eine Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher 502 und dem doppelten Neutralpunkt 106 oder einem Spannungsabfall über die Body-Diode definiert werden, wobei jedoch, auch wenn die Induktivität 703 in Modul 1020 Stoßströme vermindert, die Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher 502 und dem doppelten Neutralpunkt 106 nicht den Spannungsabfall über die Body-Diode übersteigen sollte. Kurz zusammengefasst bedeutet dies, dass die Polarität des MOSFETs bestimmt, welche der beiden Leistungsquellen, d. h. der doppelte Neutralpunkt 106, welcher aus den dynamisch mit ihm verschalteten Batteriemodulen versorgt wird, oder der Energiespeicher 502, der durch eine Energiezelle, einem Kondensator, oder ähnlichem gebildet wird, diejenige ist, die standardmäßig das mindestens eine Zusatzsystem versorgt.
In 11 wird in schematischer Darstellung 1100 eine zweite vereinfachte Topologie zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls 1110 oder 1120 eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt. Das jeweilige Modul 1110 und 1120 ist dabei hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. Auch die zweite vereinfachte Topologie weist nur einen MOSFET 923 auf. Der zweite MOSFET, bspw. Bezugszeichen 602 in 6, soll für die Betrachtungen hier geschlossen sein und wird zwischen dem Anschluss 901 und dem Anschluss zum doppelten Neutralpunkt 106 als eine durchgezogene Linie dargestellt. Im Vergleich zu 10 ist das MOSFET 923 mit entgegengesetzter Orientierung zum Anschluss 901 angeordnet, d. h. direkt mit seinem Quellen-Anschluss mit dem Anschluss 901 verbunden. Daraus folgt, dass die Body-Diode des MOSFETs 923 nun mit Durchlassrichtung auf den Energiespeicher 502 zu orientiert ist. Eine solche Topologie ist besser für den Fall geeignet, dass die gesamte durch das mindestens eine Zusatzsystem gebildete Last von dem Energiespeicher 502 weggenommen und dem doppelten Neutralpunkt 106 zugeordnet werden soll. Unabhängig von der Schalterstellung des MOSFETs 923 sorgt seine Body-Diode dafür, dass der Energiespeicher 502 aus dem doppelten Neutralpunkt 106 geladen wird, sobald die Spannungsdifferenz zwischen dem doppelten Neutralpunkt 106 und dem Energiespeicher 502 den Spannungsabfall an der Body-Diode übersteigt. Da der durch den MOSFET 923 gebildete Schalter eine vollständige Kontrolle über die anliegende Last erlaubt, können je nach Schalterstellung durch die von dem mindesten einen Zusatzsystem gebildete Last Entladevorgänge der mit dem doppelten Neutralpunkt 106 verschalteten Batteriemodule oder des Energiespeichers 502 geschehen, ohne dass der jeweils andere Energieversorger gleichmäßig mitentladen wird. Dadurch sind teilweise erhebliche Spannungsunterschiede zwischen dem doppelten Neutralpunkt 106 und dem Energiespeicher 502 möglich, welche bei Wechsel der Schalterstellung des MOSFETs 923 zu Stoßströmen führen können. Um diese zu vermeiden, weist das Modul 1120 vorteilhaft die Induktivität 703 auf.
In 12 wird in schematischer Darstellung eine erste detaillierte Topologie einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls 1200 eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt. Das Modul 1200 ist dabei hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. In der detaillierten Topologie sind nun beide MOSFETs 1206 und 1202 explizit dargestellt, außerdem ist optional die Induktivität 703 zur Verminderung von Stoßströmen angeordnet. Wie in der Beschreibung zu 10 erläutert, weist das MOSFET 1206 zwei Orientierungen 1208 und 1210 mit einer durch den jeweiligen natürlichen Leistungsfluss bedingten unterschiedlichen Funktionalität auf. Weisen die beiden Anschlüsse des doppelten Neutralpunktes 106 das gleiche Potential auf, und wird damit das Multiphasenwechselstrombatteriesystem wie über einen konventionellen Neutralpunkt betrieben, so verhindert das zweite MOSFET 1202 bei geöffneter Schalterstellung vorteilhaft einen Kurzschluss des Energiespeichers 502. In einem solchen Fall wird das mindestens eine Zusatzsystem am Niedervoltversorgungsanschluss 508 allein durch das Modul 1200 versorgt. Durch die mit Pfeil 1204 angezeigte Orientierung der Body-Diode können natürliche Leistungsflüsse aus dem doppelten Neutralpunkt 106 an das mindestens eine Zusatzsystem fließen.
In 13 wird in schematischer Darstellung eine zweite detaillierte Topologie einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls 1300 eines Niedervoltversorgungsstranges gezeigt. Das Modul 1300 ist dabei hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. In der detaillierten Topologie sind nun beide MOSFETs 1306 und 1302 explizit dargestellt, außerdem ist optional die Induktivität 703 zur Verminderung von Stoßströmen angeordnet. Wie in der Beschreibung zu 11 erläutert, weist das MOSFET 1306 zwei Orientierungen 1308 und 1310 mit einer durch den jeweiligen natürlichen Leistungsfluss bedingten unterschiedlichen Funktionalität auf. Im Vergleich zu der Orientierung des zweiten MOSFETs 1206 in der 12, liegt nun beim MOSFET 1302 die umgekehrte Orientierung vor. Wie durch den Pfeil 1304 angedeutet, kann hier ein natürlicher Leistungsfluss aus dem Energiespeicher 502 über die intrinsische Body-Diode des MOSFETs 1302 an die mit dem doppelten Neutralpunkt 106 verschalteten Batteriemodule erfolgen, wann immer der MOSFET 1306 geschlossen ist oder mit derselben einen natürlichen Fluss in diese Richtung erlaubenden Orientierung 1308 angeordnet ist.
14 zeigt in schematischer Darstellung 1400 eine Gegenüberstellung zweier detaillierter Topologien einer erfindungsgemäßen Schaltung eines Moduls eines Niedervoltversorgungsstranges. Das jeweilige Modul 1410 oder 1420 ist dabei hier zur Linken an den doppelten Neutralpunkt 106 angeschlossen und bildet zur Rechten einen Niedervoltversorgungsanschluss 508. In der detaillierten Topologie sind nun beide MOSFETs 1401 und 1402 bzw. 1401 und 1403 explizit dargestellt, außerdem ist optional die Induktivität 703 zur Verminderung von Stoßströmen angeordnet. Das MOSFET 1401 ist hier mit seinem Quellenanschluss in Richtung der Induktivität 703 bzw. des Energiespeichers 502 angeordnet. Weisen die beiden Anschlüsse des doppelten Neutralpunktes 106 das gleiche Potential auf, und wird damit das Multiphasenwechselstrombatteriesystem wie über einen konventionellen Neutralpunkt betrieben, so verhindert das zweite MOSFET 1402 oder 1403 bei geöffneter Schalterstellung vorteilhaft einen Kurzschluss des Energiespeichers 502. In einem solchen Fall wird das mindestens eine Zusatzsystem am Niedervoltversorgungsanschluss 508 allein durch den Energiespeicher 502 versorgt. Durch die mit Pfeil 1404 angezeigte Orientierung der Body-Diode des MOSFETs 1402 können natürliche Leistungsflüsse aus dem doppelten Neutralpunkt 106 an das mindestens eine Zusatzsystem fließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0043789 A1 [0005]
US 2016/0341798 A1 [0005]
US 2013/0154521 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Goetz, S.M., Peterchev, A.V., Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control“, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215 (2015), doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 [0018]

Claims

Verfahren zu einer Niedervoltversorgung in Fahrzeugen mit einer modularen Batterie (104), bei dem die modulare Batterie (104) mehrere in Strängen (101, 102, 103) angeordnete Batteriemodule (100, 110, 120) aufweist, bei dem ein jeweiliges Batteriemodul (100, 110, 120) mindestens zwei Schalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128) und mindestens einen Energiespeicher (119, 129) aufweist, bei dem die jeweiligen Stränge (101, 102, 103) an ihrem ersten zweiadrigen Ende zu einem doppelten Neutralpunkt (106) verschaltet sind und an ihrem jeweiligen zweiten Ende eine jeweilige Phase (108) einer Versorgungsspannung in einem Hochvoltsystem bilden, wobei am doppelten Neutralpunkt (106) ein zusätzlicher Niedervoltversorgungsstrang (204) verschaltet wird, wobei in dem Niedervoltversorgungsstrang (204) mindestens ein Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) mit zwei Anschlüssen jeweils auf einer Neutralpunktseite (312, 314, 412, 414) und einer Niedervoltversorgungsseite (316, 318, 416, 418, 508) angeordnet wird, wobei innerhalb des mindestens einen Moduls (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) mindestens zwei Schalter (301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 504, 601, 602, 701, 702, 912, 923, 1202, 1206, 1208, 1210, 1302, 1306, 1308, 1310, 1401, 1402, 1403), durch welche mindestens die zwei Anschlüsse auf der Neutralpunktseite (312, 314, 412, 414) von dem doppelten Neutralpunkt (106) trennbar und die zwei Anschlüsse auf der Niedervoltversorgungsseite (316, 318, 416, 418, 508) parallel zum doppelten Neutralpunkt (106) verschaltbar sind, angeordnet werden und wobei in dem mindestens einen Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) parallel zu den Anschlüssen auf der Niedervoltversorgungsseite (316, 318, 416, 418, 508) ein Modulspeicher (309, 409, 502) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Aufbau des mindestens einen Moduls (210, 310, 410) des Niedervoltversorgungsstranges (204) identisch zu den Batteriemodulen (100, 110, 120) der Stränge (101, 102, 103) gestaltet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in einem jeweilig ersten Batteriemodul (100, 110, 120) des jeweiligen Stranges (101, 102, 103) an dessen ersten zweiadrigen Ende zum doppelten Neutralpunkt (106) der jeweilige Energiespeicher (119, 129) durch die mindestens zwei Schalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128,) gegenüber dem doppelten Neutralpunkt (106) trennbar angeordnet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Schalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 504, 601, 602, 701, 702, 912, 923, 1202, 1206, 1208, 1210, 1302, 1306, 1308, 1310, 1401, 1402, 1403) durch Halbleiterschalter gebildet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das jeweilige Batteriemodul (100, 110, 120) und/oder das mindestens eine Modul (210, 310, 410) des Niedervoltversorgungsstranges (204) durch ein jeweiliges Multilevelkonverter-Modul (110, 120, 310, 410) gebildet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in dem Niedervoltversorgungsstrang (204) zusätzlich an das mindestens eine Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) auf seiner Niedervoltversorgungsseite ein Gleichspannungswandler (208) angeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem an den Gleichspannungswandler (208) zusätzlich eine Niedervoltbatterie (206) angeschlossen wird.
Schaltung (200, 300, 400, 500, 600, 700, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400) zu einer Niedervoltversorgung in Fahrzeugen mit einer modularen Batterie (104), bei dem die modulare Batterie (104) mehrere in Strängen (101, 102, 103) angeordnete Batteriemodule (100, 110, 120) aufweist, bei dem ein jeweiliges Batteriemodul (100, 110, 120) mindestens zwei Schalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128) und mindestens einen Energiespeicher (119, 129) aufweist, bei dem die jeweiligen Stränge (101, 102, 103) an ihrem ersten zweiadrigen Ende zu einem doppelten Neutralpunkt (106) verschaltet sind und an ihrem jeweiligen zweiten Ende eine jeweilige Phase (108) einer Versorgungsspannung in einem Hochvoltsystem bilden, wobei die Schaltung (200, 300, 400, 500, 600, 700, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400), einen zusätzlichen Niedervoltversorgungsstrang (204) aufweist und dieser mit dem doppelten Neutralpunkt (106) verschaltet ist, wobei der Niedervoltversorgungsstrang (204) mindestens ein Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) mit zwei Anschlüssen jeweils auf einer Neutralpunktseite (312, 314, 412, 414) und einer Niedervoltversorgungsseite (316, 318, 416, 418, 508) aufweist, wobei das mindestens eine Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) mindestens zwei Schalter (301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 504, 601, 602, 701, 702, 912, 923, 1202, 1206, 1208, 1210, 1302, 1306, 1308, 1310, 1401, 1402, 1403), durch welche mindestens die zwei Anschlüsse auf der Neutralpunktseite (312, 314, 412, 414) von dem doppelten Neutralpunkt (106) trennbar und die zwei Anschlüsse auf der Niedervoltversorgungsseite (316, 318, 416, 418, 508) parallel zum doppelten Neutralpunkt (106) verschaltbar sind, aufweist und wobei das mindestens eine Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 910, 921, 922, 1010, 1020, 1110, 1120, 1200, 1300, 1410, 1420) parallel zu den Anschlüssen auf der Niedervoltversorgungsseite (316, 318, 416, 418, 508) einen Modulspeicher (309, 409, 502) aufweist.
Schaltung (200, 300, 400) nach Anspruch 8, bei dem das mindestens eine Modul (210, 310, 410) des Niedervoltversorgungsstranges (204) identisch zu den Batteriemodulen (100, 110, 120) der Stränge (101, 102, 103) ist.
Schaltung (200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem in einem jeweilig ersten Batteriemodul (100, 110, 120) des jeweiligen Stranges (101, 102, 103) an dessen ersten zweiadrigen Ende zum doppelten Neutralpunkt (106) der jeweilige Energiespeicher (119, 129) durch die mindestens zwei Schalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128) gegenüber dem doppelten Neutralpunkt (106) trennbar angeordnet ist.
Schaltung (200, 300, 400, 500, 600, 700, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Schalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 504, 601, 602, 701, 702, 912, 923, 1202, 1206, 1208, 1210, 1302, 1306, 1308, 1310, 1401, 1402, 1403) Halbleiterschalter sind.
Schaltung (200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem das jeweilige Batteriemodul (100, 110, 120) und/oder das mindestens eine Modul (210, 310, 410) des Niedervoltversorgungsstranges (204) ein Multilevelkonverter-Modul (110, 120, 310, 410) ist.
Schaltung (200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Niedervoltversorgungsstrang (204) zusätzlich einen Gleichspannungswandler (208) aufweist, der an das mindestens eine Modul (210, 310, 410) auf seiner Niedervoltversorgungsseite angeschlossen ist.
Schaltung (200) nach Anspruch 13, bei dem der Niedervoltversorgungsstrang (204) zusätzlich eine Niedervoltbatterie (206) aufweist, welche an den Gleichspannungswandler (208) angeschlossen ist.
Verwendung der Schaltung (200, 300, 400, 500, 700, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, indem ein Leistungsübertrag zwischen dem Niedervoltversorgungsstrang (204) und dem doppelten Neutralpunkt (106) zeitweise unterbunden wird, so dass der doppelte Neutralpunkt während der Unterbrechung von dem Niedervoltversorgungsstrang (204) nicht belastet wird, wodurch ein maximaler Leistungsübertrag zwischen den Strängen (101, 102, 103) ermöglicht wird, und gleichzeitig der Niedervoltversorgungstrang (204) mindestens durch das mindestens eine Modul (210, 310, 410, 510, 610, 520, 630, 1200, 1300, 1410, 1420) versorgt wird.