DE102019116190A1

DE102019116190A1 - Umschaltvorrichtung für eine Batterie eines Fahrzeugs zum Umschalten zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung von Batteriemodulen, Batterieanordnung sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102019116190A1
Application number: DE102019116190.8A
Authority: DE
Inventors: Boris Zuev
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umschaltvorrichtung (5) für eine Batterie (4) eines Fahrzeugs, umfassend eine erste Schalteinheit (S1) zum Schließen eines ersten Stromkreises (K1) zur Serienschaltung eines ersten Batteriemoduls (2a) und eines zweiten Batteriemoduls (2b) der Batterie (4), eine zweite Schalteinheit (S2) zum Schließen eines zweiten Stromkreises (K2) zur Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls (2a) und des zweiten Batteriemoduls (2b) und eine Überwachungseinrichtung (6) zum Ansteuern der ersten Schalteinheit (S1) und der zweiten Schalteinheit (S2), wobei die Überwachungseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, die erste Schalteinheit (S1) zum Schließen des ersten Stromkreises (K1) nur dann anzusteuern, falls eine zweite Spannung (V2) in dem zweiten Stromkreis (K2) einen zweiten Schwellwert unterschreitet, und die zweite Schalteinheit (S2) zum Schließen des zweiten Stromkreises (K2) nur dann anzusteuern, falls eine erste Spannung (V1) in dem ersten Stromkreis (K1) einen zweiten Schwellwert unterschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umschaltvorrichtung für eine Batterie eines Fahrzeugs. Die Umschaltvorrichtung umfasst eine erste Schalteinheit zum Schließen eines ersten Stromkreises zur Serienschaltung eines ersten Batteriemoduls und eines zweiten Batteriemoduls der Batterie. Darüber hinaus umfasst die Umschaltvorrichtung eine zweite Schalteinheit zum Schließen eines zweiten Stromkreises zur Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls. Ferner umfasst die Umschaltvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zur Ansteuerung der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Umschalten zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung von einem ersten Batteriemodul und einem zweiten Batteriemodul.
In zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, werden Batterien verwendet, um zumindest einen Antriebsmotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Eine solche Batterie umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Batteriemodulen, wobei die Batteriemodule üblicherweise mehrere Batteriezellen aufweisen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Batterien bekannt, bei denen zwischen einer Serienschaltung der Batteriemodule und einer Reihenschaltung der Batteriemodule umgeschaltet werden kann. Auf diese Weise kann die mit der Batterie bereitgestellte Spannung geändert beziehungsweise angepasst werden. Zudem kann eine Stromabgabe der Batterie angepasst werden.
Hierzu beschreibt die DE 103 04 764 B3 ein Zwei-Spannungs-Bordnetz, das in ein Zwei-Batterie-Bordnetz integriert ist. In diesem Zwei-Spannungs-Bordnetz werden zwei herkömmliche Fahrzeugbatterien verwendet, die in der Regel in Reihe geschaltet betrieben werden. Durch die Reihenschaltung wird die Versorgungsspannung für das Bordnetz mit höheren Spannungen für leistungsstarke Verbraucher erhalten. Zur Realisierung eines Notstarts werden beide Batterien parallelgeschaltet.
Darüber hinaus beschreibt die DE 10 2007 027 902 A1 eine Schaltung mit mehreren Batterieanschlüssen und einem Anschlussklemmenpaar, wobei die Batterieanschlüsse und das Anschlussklemmenpaar jeweils einen Pluspol und einen Minuspol aufweisen. Die Schaltung weist Schaltelemente auf, die mindestens zwei Untergruppen der Batterieanschlüsse wahlweise in Serie zur Spannungsaddition oder in Parallelschaltung zur Stromaddition zu zumindest einer Gruppe verbinden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Umschaltvorrichtung zum Umschalten zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung von Batteriemodulen einer Batterie sicherer betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Umschaltvorrichtung, durch eine Batterieanordnung sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung für eine Batterie eines Fahrzeugs umfasst eine erste Schalteinheit zum Schließen eines ersten Stromkreises zur Serienschaltung eines ersten Batteriemoduls und eines zweiten Batteriemoduls der Batterie. Darüber hinaus umfasst die Umschaltvorrichtung eine zweite Schalteinheit zum Schließen eines zweiten Stromkreises zur Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls. Ferner umfasst die Umschaltvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zum Ansteuern der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit. Dabei ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet, die erste Schalteinheit zum Schließen des ersten Stromkreises nur dann anzusteuern, falls eine zweite Spannung in dem zweiten Stromkreis einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Des Weiteren ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet, die zweite Schalteinheit zum Schließen des zweiten Stromkreises nur dann anzusteuern, falls eine erste Spannung in dem ersten Stromkreis einen ersten Schwellwert unterschreitet.
Die Umschaltvorrichtung kann Teil einer Batterieanordnung eines Fahrzeugs sein. Eine solche Batterieanordnung kann eine Batterie umfassen, die zumindest einen Antriebsmotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Die Batterie kann auch als Traktionsbatterie oder als Hochvolt-Batterie bezeichnet werden. Die Umschaltvorrichtung dient dazu, die Batteriemodule der Batterie entweder in einer Serienschaltung miteinander zu verbinden oder diese in einer Parallelschaltung miteinander zu verbinden. Durch die Umschaltvorrichtung kann also ein Betrieb des ersten Batteriemoduls und/oder des zweiten Batteriemoduls in einer Serienschaltung realisiert werden oder es kann ein Betrieb des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls in der Parallelschaltung realisiert werden. Grundsätzlich kann die Umschaltvorrichtung auch für mehrere Batteriemodule verwendet werden. Die Umschaltvorrichtung umfasst die erste Schalteinheit, welche beispielsweise als Relais oder Schütz ausgebildet sein kann. Die erste Schalteinheit ist dem ersten Stromkreis zugeordnet. Wenn die erste Schalteinheit geschlossen wird, ist der erste Stromkreis geschlossen und das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul sind in der Serienschaltung verbunden. Bei der Serienschaltung des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls ist die zweite Schalteinheit zu öffnen. Wenn die Batteriemodule in der Parallelschaltung betrieben werden sollen, kann die zweite Schalteinheit geschlossen werden und die erste Schalteinheit geöffnet werden. Dabei ist der zweite Stromkreis geschlossen. Dabei ist es vorgesehen, dass die Ansteuerung der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit durch die Überwachungseinrichtung durchgeführt beziehungsweise überwacht wird.
Im Betrieb der Umschaltvorrichtung muss verhindert werden, dass sowohl die erste Schalteinheit als auch die zweite Schalteinheit geschlossen werden. Dabei ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass mittels der Überwachungseinrichtung die erste Schalteinheit zum Schließen des ersten Schaltkreises nur dann angesteuert wird, falls die zweite Spannung in dem zweiten Stromkreise den zweiten Schwellwert unterschreitet, und dass die zweite Schalteinheit nur dann angesteuert wird, falls die erste Spannung in dem ersten Stromkreis den ersten Schwellwert unterschreitet. Die erste Spannung in dem ersten Stromkreis kann die Ausgangsspannung des in Serie geschalteten ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls sein. Der erste Schwellwert kann deutlich unterhalb der ersten Spannung liegen und der zweite Schwellwert kann deutlich unter der zweiten Spannung liegen. Wenn nun die zweite Spannung den zweiten Schwellwert unterschreitet, kann sichergestellt werden, dass der zweite Stromkreis beziehungsweise die zweite Schalteinheit geöffnet ist. In diesem Fall kann die erste Schalteinheit geschlossen werden. Im anderen Fall kann sichergestellt werden, dass die erste Schalteinheit beziehungsweise der erste Schaltkreis geöffnet ist, falls die erste Spannung den ersten Schwellwert unterschreitet. In diesem Fall kann die zweite Schalteinheit geschlossen werden. Somit kann verhindert werden, dass die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit gleichzeitig geschlossen werden. Damit kann eine Beschädigung der Batterie und/oder eine Überspannung verhindert werden. Insgesamt kann somit ein sicherer Betrieb der Umschaltvorrichtung und somit der Batterie des Fahrzeugs gewährleistet werden.
Bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet, die erste Schalteinheit nur dann anzusteuern, falls die zweite Spannung Null ist, und die zweite Schalteinheit nur dann anzusteuern, falls die erste Spannung Null ist. Beispielsweise kann der erste Schwellwert so gewählt werden, dass dieser knapp über Null beziehungsweise 0 V liegt. Auch der zweite Schwellwert kann so gewählt werden, dass dieser knapp über Null beziehungsweise 0 V liegt. Wenn in dem ersten Schaltkreis die Spannung 0 V beträgt, kann mit großer Sicherheit davon ausgegangen werden, dass die erste Schalteinheit geöffnet ist. In diesem Fall kann die zweite Schalteinheit geschlossen werden. Falls die zweite Spannung in dem zweiten Stromkreis 0 V beträgt, kann auch hier mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass die zweite Schalteinheit geöffnet ist. In diesem Fall kann die erste Schalteinheit geschlossen werden.
In einer Ausführungsform weist die Überwachungseinrichtung eine erste Komparator-Schaltung zum Vergleichen der ersten Spannung mit dem ersten Schwellwert auf und die Überwachungseinrichtung weist bevorzugt eine zweite Komparator-Schaltung zum Vergleichen der zweiten Spannung mit dem zweiten Schwellwert auf. Die erste Komparator-Schaltung kann mit dem ersten Stromkreis elektrisch verbunden beziehungsweise gekoppelt sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass dem Eingang der ersten Komparator-Schaltung die erste Spannung zugeführt wird. Mit der ersten Komparator-Schaltung kann somit auf einfache Weise ein Vergleichen der ersten Spannung mit dem ersten Schwellwert durchgeführt werden. In gleicher Weise kann die zweite Komparator-Schaltung mit dem zweiten Stromkreis gekoppelt sein, wobei einem Eingang der zweiten Komparator-Schaltung die zweite Spannung zugeführt wird. Somit kann auch die zweite Spannung auf einfache Weise mit dem zweiten Schwellwert verglichen werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Überwachungseinrichtung eine erste Ansteuereinheit zur Ansteuerung der ersten Schalteinheit und eine zweite Ansteuereinheit zur Ansteuerung der zweiten Schalteinheit auf. Dabei ist die erste Ansteuereinheit mit einem Ausgang der zweiten Komparator-Schaltung verbunden und die zweite Ansteuereinheit ist mit einem Ausgang der ersten Komparator-Schaltung verbunden. Die erste Ansteuereinheit und die zweite Ansteuereinheit können beispielsweise jeweils einen Mikrocontroller aufweisen. Am Ausgang der ersten Komparator-Schaltung kann eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom ausgegeben werden, welcher beschreibt, ob die erste Spannung den ersten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet. Dieser elektrischen Spannung beziehungsweise diesem elektrischen Strom am Ausgang der ersten Komparator-Schaltung kann im einfachsten Fall ein Wert 1 oder ein Wert 0 zugeordnet werden. Anhand dieser Informationen kann mittels der zweiten Ansteuereinheit auf einfache Weise überprüft werden, ob die erste Spannung den ersten Schwellwert unterschreitet oder nicht. Abhängig davon kann dann mittels der zweiten Ansteuereinheit die zweite Schalteinheit angesteuert werden. In gleicher Weise kann die erste Ansteuereinheit die erste Schalteinheit in Abhängigkeit von dem Strom und/oder der Spannung, die am Ausgang der zweiten Komparator-Schaltung anliegt, steuern.
Bevorzugt ist die erste Komparator-Schaltung derart ausgebildet, dass ein zweiter Strom am Ausgang der ersten Komparator-Schaltung Null ist, falls die erste Spannung den ersten Schwellwert unterschreitet. Insbesondere ist die zweite Komparator-Schaltung derart ausgebildet, dass ein erster Strom am Ausgang der zweiten Komparator-Schaltung Null ist, falls die zweite Spannung den zweiten Schwellwert überschreitet. Insbesondere ist vorgesehen, dass mit der ersten Ansteuereinheit ein Schalter an einem ersten Steuerstromkreis der ersten Schalteinheit angesteuert werden kann. Wenn die zweite Spannung den zweiten Schwellwert überschreitet, ist der erste Strom am Ausgang der zweiten Komparator-Schaltung Null beziehungsweise 0 A. Dies bedeutet, dass auch der Strom in dem Steuerstromkreis der ersten Schalteinheit Null ist. Selbst wenn bei einer fehlerhaften Ansteuerung der Schalter in dem Steuerstromkreis mittels der ersten Ansteuereinheit geschlossen wird, bleibt der elektrische Strom in dem Steuerstromkreis Null und somit kann die erste Schalteinheit nicht geschlossen werden. Damit kann auf zuverlässige Weise erreicht werden, dass auch in einem Fehlerfall beziehungsweise einem fehlerhaften Betrieb der ersten Ansteuereinheit beziehungsweise des ersten Mikrocontrollers die erste Schalteinheit nicht geschlossen werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für die zweite Ansteuereinheit zur Ansteuerung der zweiten Schalteinheit, wobei die zweite Ansteuereinheit mit dem Ausgang der ersten Komparator-Schaltung verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die erste Komparator-Schaltung und/oder die zweite Komparator-Schaltung als invertierter Schmitt-Trigger ausgebildet. Der Schmitt-Trigger stellt eine spezielle Schaltung eines Komparators dar, welcher eine Hysterese aufweist. Hierdurch kann erreicht werden, dass Schwankungen am Ausgang der ersten Komparator-Schaltung und der zweiten Komparator-Schaltung auftreten.
Bevorzugt sind die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit als Relais oder als Schütz ausgebildet. Die Schalteinheiten können als Relais ausgebildet sein. Wie bereits erläutert, kann dann den jeweiligen Schalteinheiten ein Steuerstromkreis zugeordnet sein, wobei ein Schalter der jeweiligen Steuerstromkreise durch die jeweiligen Ansteuereinheiten angesteuert beziehungsweise geöffnet oder geschlossen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Überwachungseinrichtung zumindest eine Messeinheit zum Messen der ersten Spannung und der zweiten Spannung. Bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet, die gemessene erste Spannung mit dem ersten Schwellwert zu vergleichen und die gemessene zweite Spannung mit dem zweiten Schwellwert zu vergleichen. Beispielsweise kann für den ersten Stromkreis eine erste Messeinheit vorgesehen sein, mittels welcher die erste Spannung bestimmt werden kann. Zudem kann für den zweiten Stromkreis eine zweite Messeinheit vorgesehen sein, um die zweite Spannung zu ermitteln. Ferner kann vorgesehen sein, dass entsprechende Spannungsteiler verwendet werden, um die erste Spannung und/oder die zweite Spannung zu messen. Darüber hinaus kann die Überwachungseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, mit dem die gemessenen Spannungen abgetastet beziehungsweise digitalisiert werden können. Mit der Überwachungseinrichtung kann dann ein Vergleich der gemessenen Spannungen mit den dazugehörigen Schwellwerten durchgeführt werden. Falls der Vergleich ergibt, dass die erste Spannung geringer als der erste Schwellwert ist, kann mittels der Überwachungseinrichtung die zweite Schalteinheit angesteuert werden. Falls bezüglich der zweiten Spannung der Vergleich ergibt, dass diese den zweiten Schwellwert überschreitet, kann mittels der Überwachungseinrichtung die erste Schalteinheit angesteuert werden. Auch auf diese Weise kann ein zuverlässiger Betrieb der Überwachungseinrichtung und somit der Umschaltvorrichtung ermöglicht werden.
Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Fahrzeug umfasst ein erstes Batteriemodul, ein zweites Batteriemodul und eine erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung. Das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul können eine Batterie für das Fahrzeug bilden. Mittels der Batterie kann elektrische Energie zum Antreiben zumindest eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs bereitgestellt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Batterie aufgeladen wird. Hierzu kann die Batterie elektrisch mit einer entsprechenden Ladestation verbunden werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Batterie während einer Rekuperation aufgeladen wird. Grundsätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Batterie beziehungsweise die Batterieanordnung eine Mehrzahl von Batteriemodulen aufweist. Dabei kann jedes der Batteriemodule eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Batterieanordnung. Das Fahrzeug ist als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug ausgebildet. Beispielsweise kann das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug handelt. Ferner kann das Fahrzeug bevorzugt als Personenkraftwagen ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Umschalten zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung von einem ersten Batteriemodul und einem zweiten Batteriemodul einer Batterie eines Fahrzeugs. Bei dem Verfahren wird eine erste Schalteinheit zum Schließen eines ersten Stromkreises zur Serienschaltung des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls geschlossen oder es wird eine zweite Schalteinheit eines zweiten Stromkreises zur Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls geschlossen. Dabei werden die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit mittels einer Überwachungseinrichtung angesteuert. Ferner ist vorgesehen, dass mittels der Überwachungseinrichtung die erste Schalteinheit zum Schließen des ersten Stromkreises nur dann angesteuert wird, falls eine elektrische Spannung in dem zweiten Stromkreis einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Ferner wird die zweite Schalteinheit zum Schließen des zweiten Stromkreises nur dann angesteuert, falls eine elektrische Spannung in dem ersten Stromkreis einen ersten Schwellwert unterschreitet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Batterieanordnung, für das erfindungsgemäße Fahrzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung für ein Fahrzeug, wobei die Batterieanordnung ein erstes Batteriemodul, ein zweites Batteriemodul und eine Umschaltvorrichtung aufweist;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Komparator-Schaltung einer Überwachungseinrichtung der Umschaltvorrichtung; und
3 eine zweite Komparator-Schaltung der Überwachungseinrichtung.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Batterieanordnung 1 für ein Fahrzeug. Die Batterieanordnung 1 umfasst ein erstes Batteriemodul 2a und ein zweites Batteriemodul 2b. Jedes der Batteriemodule 2a, 2b umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 3. In dem vorliegenden vereinfachten Ausführungsbeispiel umfasst jede der Batteriemodule 2a, 2b drei Batteriezellen 3. Dabei sind sowohl in dem ersten Batteriemodul 2a als auch in dem zweiten Batteriemodul 2b alle Batteriezellen 3 elektrisch in Serie geschalten. Das erste Batteriemodul 2a und das zweite Batteriemodul 2b bilden zusammen eine Batterie 4, welche dazu dient, zumindest einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Ferner können die Batteriemodule 2a, 2b beziehungsweise die Batterie 4 geladen werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Batteriemodule 2a und 2b elektrisch in Serie geschaltet werden oder dass die Batteriemodule 2a und 2b elektrisch parallel geschaltet werden.
Darüber hinaus umfasst die Batterieanordnung 1 eine Umschaltvorrichtung 5, mittels welcher die Batteriemodule 2a, 2b entweder elektrisch in Reihe oder elektrisch parallel geschaltet werden können. Die Umschaltvorrichtung 5 umfasst eine erste Schalteinheit S1, welche beispielsweise als Relais beziehungsweise Leistungsrelais ausgebildet sein kann. Ferner umfasst die Umschaltvorrichtung 5 eine zweite Schalteinheit S2, welche baugleich zu der ersten Schalteinheit S1 ausgebildet sein kann. Darüber hinaus umfasst die Umschaltvorrichtung 5 eine Überwachungseinrichtung 6, mittels welcher die erste Schalteinheit S1 und die zweite Schalteinheit S2 angesteuert werden können.
In dem vorliegenden Beispiel wird davon ausgegangen, dass mit dem ersten Batteriemodul 2a und dem zweiten Batteriemodul 2b jeweils eine Spannung von 100 V bereitgestellt werden kann. Wenn die Schalteinheiten S1, S2 mittels der Überwachungseinrichtung 6 so angesteuert werden, dass die erste Schalteinheit S1 geschlossen ist und die zweite Schalteinheit S2 geöffnet ist, sind das erste Batteriemodul 2a und das zweite Batteriemodul 2b elektrisch in Serie geschaltet. Hierbei bildet sich zwischen einem Anschluss 7 und einem Anschluss 8 ein erster Stromkreis K1 aus. Bei der Serienschaltung des ersten Batteriemoduls 2a und des zweiten Batteriemoduls 2b ergibt sich insgesamt eine erste Spannung V1, welche vorliegend über einen Widerstand R1 abfällt. Bei der Serienschaltung der Batteriemodule 2a, 2b beträgt die erste Spannung V1 200 V.
Wenn die Schalteinheiten S1, S2 mittels der Überwachungseinrichtung 6 derart angesteuert werden, dass die erste Schalteinheit S1 geöffnet ist und die zweite Schalteinheit S2 geschlossen ist, können das erste Batteriemodul 2a und das zweite Batteriemodul 2b elektrisch parallel geschaltet werden. In diesem Fall bildet sich zwischen dem Anschluss 7 und einem Anschluss 9 ein zweiter Stromkreis K2 aus. Bei der Parallelschaltung der Batteriemodule 2a, 2b liegt in dem zweiten Stromkreis K2 eine zweite Spannung V2 an, welche über einen Widerstand R2 abfällt. Diese Spannung beträgt in dem vorliegenden Beispiel 100 V. Im Betrieb der Batterieanordnung 1 beziehungsweise bei der Ansteuerung der Umschaltvorrichtung 5 ist darauf zu achten, dass die Schalteinheiten S1 und S2 nicht gleichzeitig geschlossen werden dürfen. Wenn die zweite Schalteinheit S2 geschlossen ist, beträgt die zweite Spannung 100 V und wenn die erste Schalteinheit S1 geschlossen ist, beträgt die erste Spannung 200 V.
Daher ist es vorgesehen, dass mittels der Umschaltvorrichtung 5 verhindert wird, dass beide Schalteinheiten S1, S2 gleichzeitig geschaltet werden. Bevor die erste Schalteinheit S1 geschlossen wird, wird daher überprüft, ob die zweite Spannung V2 einen zweiten Schwellwert unterschreitet, insbesondere ob die zweite Spannung V2 0 V beträgt. Ferner ist es vorgesehen, dass die zweite Schalteinheit S2 nur dann geschlossen werden darf, wenn die erste Spannung V1 einen ersten Schwellwert unterschreitet und insbesondere 0 V beträgt.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Komparator-Schaltung 10a, welche Teil der Überwachungseinrichtung 6 ist. Die erste Komparator-Schaltung 10a ist vorliegend als invertierter Schmitt-Trigger ausgebildet. Mit der ersten Komparator-Schaltung 10a wird die erste Spannung V1 eingangsseitig zugeführt und mittels der ersten Komparator-Schaltung 10a kann die erste Spannung V1 mit dem ersten Schwellwert verglichen werden. Falls die erste Spannung V1 den Schwellwert überschreitet, ist ein zweiter Strom 12 an einem Ausgang 11a Null beziehungsweise 0 A. Darüber hinaus ist der Ausgang 11a mit einer zweiten Ansteuereinheit 12b verbunden, welche einen Mikrocontroller umfassen kann. Mittels der zweiten Ansteuereinheit 12b kann ein Schalter 13 des Steuerstromkreises 14 der zweiten Schalteinheit S2, welche als Relais ausgebildet ist, gesteuert werden. Selbst wenn der Schalter 13 mittels der zweiten Ansteuereinheit 12b falsch angesteuert wird beziehungsweise geschlossen wird, kann die zweite Schalteinheit S2 nicht geschlossen werden, da der zweite Strom 12 am Ausgang der ersten Komparator-Schaltung 10a, welcher auch durch den Steuerstromkreis 14 fließt, Null ist. Somit kann auf sichere Weise verhindert werden, dass die zweite Schalteinheit S2 geschlossen wird, falls die erste Spannung V1 den ersten Schwellwert überschreitet und somit die erste Schalteinheit S1 noch geschlossen ist.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite Komparator-Schaltung 10b, welche analog zu der ersten Komparator-Schaltung 10a ausgebildet ist. Dieser zweiten Komparator-Schaltung 10b wird eingangsseitig die zweite Spannung V2 zugeführt. Falls diese zweite Spannung V2 einen zweiten Schwellwert überschreitet, ist ein erster Strom 11 am Ausgang 11b der zweiten Komparator-Schaltung 10b Null. Auch hier ist der Ausgang 11b der zweiten Komparator-Schaltung 10b mit einer ersten Ansteuereinheit 12a verbunden. Auch in diesem Fall kann die erste Schalteinheit S1 aufgrund einer fehlerhaften Ansteuerung durch die erste Ansteuereinheit 12a nicht geschlossen werden, wenn die zweite Spannung V2 größer als der zweite Schwellwert ist und somit die zweite Schalteinheit S2 noch geschlossen ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrichtung 6 Messeinheiten beziehungsweise Spannungssensoren aufweist, mit denen die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2 gemessen werden können. In diesem Fall können die gemessenen Spannungen mittels der Überwachungseinrichtung 6 mit den jeweiligen Schwellwerten verglichen werden und die Schalteinheiten S1, S2 in Abhängigkeit von dem Vergleich angesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Batterieanordnung
2a: erstes Batteriemodul
2b: zweites Batteriemodul
3: Batteriezelle
4: Batterie
5: Umschaltvorrichtung
6: Überwachungseinrichtung
7, 8, 9: Anschluss
10a: erste Komparator-Schaltung
10b: zweite Komparator-Schaltung
11a, 11b: Ausgang
12a: erste Ansteuereinheit
12b: zweite Ansteuereinheit
13: Schalter
14: Steuerstromkreis
11, 12: Strom
K1: erster Stromkreis
K2: zweiter Stromkreis
R1, R2: Widerstand
S1: erste Schalteinheit
S2: zweite Schalteinheit
V1: erste Spannung
V2: zweite Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10304764 B3 [0003]
DE 102007027902 A1 [0004]

Claims

Umschaltvorrichtung (5) für eine Batterie (4) eines Fahrzeugs, umfassend eine erste Schalteinheit (S1) zum Schließen eines ersten Stromkreises (K1) zur Serienschaltung eines ersten Batteriemoduls (2a) und eines zweiten Batteriemoduls (2b) der Batterie (4), eine zweite Schalteinheit (S2) zum Schließen eines zweiten Stromkreises (K2) zur Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls (2a) und des zweiten Batteriemoduls (2b) und eine Überwachungseinrichtung (6) zum Ansteuern der ersten Schalteinheit (S1) und der zweiten Schalteinheit (S2), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, die erste Schalteinheit (S1) zum Schließen des ersten Stromkreises (K1) nur dann anzusteuern, falls eine zweite Spannung (V2) in dem zweiten Stromkreis (K2) einen zweiten Schwellwert unterschreitet, und die zweite Schalteinheit (S2) zum Schließen des zweiten Stromkreises (K2) nur dann anzusteuern, falls eine erste Spannung (V1) in dem ersten Stromkreis (K1) einen zweiten Schwellwert unterschreitet.
Umschaltvorrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, die erste Schalteinheit (S1) nur dann anzusteuern, falls die zweite Spannung (V2) Null ist, und die zweite Schalteinheit (S2) nur dann anzusteuern, falls die erste Spannung (V1) Null ist.
Umschaltvorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (6) eine erste Komparator-Schaltung (10a) zum Vergleichen der ersten Spannung (V1) mit dem ersten Schwellwert und eine zweite Komparator-Schaltung (10b) zum Vergleichen der zweiten Spannung (V2) mit dem zweiten Schwellwert aufweist.
Umschaltvorrichtung (5) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (6) eine erste Ansteuereinheit (12a) zur Ansteuerung der ersten Schalteinheit (S1) und eine zweite Ansteuereinheit (12b) zur Ansteuerung der zweiten Schalteinheit (S2) aufweist, wobei die erste Ansteuereinheit (12a) mit einem Ausgang (11b) der zweiten Komparator-Schaltung (10b) verbunden ist und die zweite Ansteuereinheit (12b) mit einem Ausgang (11a) der ersten Komparator-Schaltung (10a) verbunden ist.
Umschaltvorrichtung (5) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komparator-Schaltung (10a) derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Strom (12) am Ausgang (11a) der ersten Komparator-Schaltung (10a) Null ist, falls die erste Spannung (V1) den ersten Schwellwert überschreitet, und die zweite Komparator-Schaltung (10b) derart ausgebildet ist, dass ein erster Strom (11) am Ausgang (11b) der zweiten Komparator-Schaltung (10b) Null ist, falls die zweite Spannung (V2) den zweiten Schwellwert überschreitet.
Umschaltvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komparator-Schaltung (10a) und/oder die zweite Komparator-Schaltung (10b) als invertierte Schmitt-Trigger ausgebildet sind.
Umschaltvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinheit (S1) und die zweite Schalteinheit (S2) als Relais oder als Schütz ausgebildet sind.
Umschaltvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (6) zumindest eine Messeinheit zum Messen der ersten Spannung (V1) und der zweiten Spannung (V2) aufweist und dazu ausgebildet ist, die gemessene erste Spannung (V1) mit dem ersten Schwellwert zu vergleichen und die gemessene zweite Spannung (V2) mit dem zweiten Schwellwert zu vergleichen.
Batterieanordnung (1) für ein Fahrzeug, umfassend ein erstes Batteriemodul (2a), ein zweites Batteriemodul (2b) und eine Umschaltvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Umschalten zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung von einem ersten Batteriemodul (2a) und einem zweiten Batteriemodul (2b) einer Batterie (4) eines Fahrzeugs, bei welchem eine erste Schalteinheit (S1) zum Schließen eines ersten Stromkreises (K1) zur Serienschaltung des ersten Batteriemoduls (2a) und des zweiten Batteriemoduls (2b) geschlossen wird oder eine zweite Schalteinheit (S2) eines zweiten Stromkreises (K2) zur Parallelschaltung des ersten Batteriemoduls (2a) und des zweiten Batteriemoduls (2b) geschlossen wird, wobei die erste Schalteinheit (S1) und die zweite Schalteinheit (S2) mittels einer Überwachungseinrichtung (6) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Überwachungseinrichtung (6) die erste Schalteinheit (S1) zum Schließen des ersten Stromkreises (K1) nur dann angesteuert wird, falls eine zweite Spannung (V2) in dem zweiten Stromkreis (K2) einen zweiten Schwellwert unterschreitet, und die zweite Schalteinheit (S2) zum Schließen des zweiten Stromkreises (K2) nur dann angesteuert wird, falls eine erste Spannung (V1) in dem ersten Stromkreis (K1) einen ersten Schwellwert unterschreitet.