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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsleistung für einen Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Batteriesysteme bzw. Energiespeichersysteme für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Batteriesysteme können eine Hochvoltbatterie aufweisen, welche als Traktionsbatterie für das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug dient und dazu elektrische Antriebsleistung für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Die Hochvoltbatterie besteht üblicherweise aus mehreren Batteriezellen oder aus mehreren Batteriemodulen, welche eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen aufweisen. Solche Hochvoltbatterien können eine Spannungslage von mehr als 800 V aufweisen, wodurch diese Hochvoltbatterien über fahrzeugexterne Ladestationen schnellladbar sind. Solche schnellladefähigen Ladestationen können beispielsweise 800 V- oder 1000 V-Ladesäulen sein, welche eine Ladeleistung von bis zu 350 kW bereitstellen können.
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Daneben existieren aber auch „herkömmliche“ Ladestationen, beispielsweise 400 V- oder 500 V-Ladesäulen, bei welchen die Ladeleistung auf beispielsweise 50 kW begrenzt ist. Um 800 V-Hochvoltbatterien an solchen „herkömmlichen“ Ladestationen laden zu können, wird im Kraftfahrzeug üblicherweise ein Gleichspannungswandler verbaut, welcher die niedrigere Ladespannung der Ladestation auf die höhere Spanungslage der Hochvoltbatterie hochsetzt. Ein solcher Gleichspannungswandler ist üblicherweise sehr teuer und weist ein hohes Gewicht sowie einen hohen Bauraumbedarf im Kraftfahrzeug auf.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und platzsparende Lösung bereitzustellen, durch welche Hochvoltbatterien elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge an Ladestationen mit unterschiedlicher Ladeleistung geladen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batteriesystem, ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem dient zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsleistung für einen Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Batteriesystem weist eine Hochvoltbatterie auf, welche zwei Batterieeinheiten mit jeweils zwei Polen umfasst. Außerdem weist das Batteriesystem zwei Ladeanschlusspunkte auf, welche mit einer fahrzeugexternen, eine Ladespannung bereitstellenden Ladestation elektrisch verbindbar sind. Darüber hinaus weist das Batteriesystem zwei Hauptschalteinheiten auf. Eine erste Hauptschalteinheit ist mit dem ersten Pol der ersten Batterieeinheit und dem ersten Ladeanschlusspunkt elektrisch verbunden, und eine zweite Hauptschalteinheit ist mit dem zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und dem zweiten Ladeanschlusspunkt elektrisch verbunden. Eine Zwischenschalteinheit des Batteriesystems ist zum seriellen Verschalten der Batterieeinheiten mit dem zweiten Pol der ersten Batterieeinheit und dem ersten Pol der zweiten Batterieeinheit elektrisch verbunden.
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Ferner umfasst das Batteriesystem zwei Nebenschalteinheiten. Eine erste Nebenschalteinheit ist mit dem ersten Pol der zweiten Batterieeinheit und dem ersten Ladeanschlusspunkt elektrisch verbunden, und eine zweite Nebenschalteinheit ist mit dem zweiten Pol der ersten Batterieeinheit und dem zweiten Ladeanschlusspunkt elektrisch verbunden. Eine Steuereinrichtung des Batteriesystems ist dazu ausgelegt, zum Laden der Hochvoltbatterie mit einem ersten Wert der Ladespannung die Hauptschalteinheiten und die Zwischenschalteinheit zu schließen und die Nebenschalteinheiten zu öffnen, und zum Laden der Hochvoltbatterie mit einem geringeren zweiten Wert der Ladespannung die Hauptschalteinheiten und die Nebenschalteinheiten zu schließen und Zwischenschalteinheit zu öffnen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Batteriesystems. Dabei empfängt die Steuereinrichtung von der Ladestation eine Information über den von der Ladestation bereitgestellten Wert der Ladespannung. Die Steuereinrichtung schließt die Hauptschalteinheiten und die Zwischenschalteinheit und öffnet die Nebenschalteinheiten, falls die Steuereinrichtung anhand der empfangenen Information den ersten Wert der Ladespannung erkennt. Falls die Steuereinrichtung jedoch anhand der empfangenen Information den zweiten Wert der Ladespannung erkennt, schließt sie die Hauptschalteinheiten und die Nebenschalteinheiten und öffnet die Zwischenschalteinheit.
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Die Hochvoltbatterie ist ein wiederaufladbarer, elektrischer Energiespeicher und wird insbesondere als Traktionsbatterie des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet. Dazu versorgt die Hochvoltbatterie eine Antriebsmaschine des Antriebs mit elektrischer Antriebsleistung. Die Hochvoltbatterie weist insbesondere eine Spannungslage von zumindest 800 V auf. Die Hochvoltbatterie ist in die zwei Batterieeinheiten unterteilt. Die Batterieeinheiten weisen insbesondere dieselbe Spannungslage, vorzugsweise jeweils zumindest 400 V, auf. Die Batterieeinheiten können wiederum eine Verschaltung von Batterieuntereinheiten, beispielsweise Batteriemodulen und/oder Batteriezellen, aufweisen. Die Batterieeinheiten können in einem gemeinsamen Gehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet sein. Jede Batterieeinheit weist einen ersten Pol bzw. ersten Anschlusspunkt, beispielsweise einen Pluspol, und einen zweiten Pol bzw. zweiten Anschlusspunkt, beispielsweise einen Minuspol, auf.
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Um die Hochvoltbatterie laden zu können, weist das Batteriesystem den ersten, beispielsweise positiven, Ladeanschlusspunkt und den zweiten, beispielsweise negativen, Ladeanschlusspunkt auf. Diese Ladeanschlusspunkte können, beispielsweise über eine Steckverbindung, mit der fahrzeugexternen Ladestation elektrisch verbunden werden, welche die Ladespannung zum Laden der Hochvoltbatterie bereitstellt. Solche Ladestationen können, je nach Ausgestaltung, unterschiedliche Werte der Ladespannung bereitstellen. Beispielsweise kann die Ladestation als eine Schnellladesäule ausgebildet sein und einen ersten Wert der Ladespannung, beispielsweise zumindest 800 V, bereitstellen. Auch kann die Ladestation als eine herkömmliche Ladesäule ausgebildet sein und einen zweiten Wert der Ladespannung, beispielsweise zumindest 400 V, bereitstellen.
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Das Batteriesystem ist, insbesondere ohne einen Gleichspannungswandler zwischen der Hochvoltbatterie und den Ladeanschlusspunkten, derart ausgestaltet, dass die Hochvoltbatterie an die Ausgestaltung der Ladestation, also an den von der Ladestation bereitgestellten Wert der Ladespannung, angepasst werden kann. So kann die Hochvoltbatterie sowohl an Ladestationen in Form von Schnellladesäulen als auch an Ladestationen in Form von herkömmlichen Ladesäulen geladen werden. Dazu weist die Hochvoltbatterie fünf Schalteinheiten auf, welche jeweils einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand aufweisen können. Unter einem geschlossenen Zustand einer Schalteinheit ist im Folgenden ein Zustand zu verstehen, in dem die jeweilige Schalteinheit eine elektrische Verbindung bereitstellt. Unter einen geöffneten Zustand einer Schalteinheit ist im Folgenden ein Zustand zu verstehen, in dem die jeweilige Schalteinheit eine elektrische Verbindung unterbricht. Die Schalteinheiten können von der Steuereinrichtung geöffnet und geschlossen werden. Unter dem Begriff „Öffnen der Schalteinheit“ ist zu verstehen, dass die Steuereinrichtung die Schalteinheit in den geöffneten Zustand überführt, falls sie sich vorher im geschlossenen Zustand befunden hat, oder in dem geöffneten Zustand hält, falls sie sich bereits im geöffneten Zustand befunden hat. Unter dem Begriff „Schließen der Schalteinheit“ ist zu verstehen, dass die Steuereinrichtung die Schalteinheit in den geschlossenen Zustand überführt, falls sie sich vorher im geöffneten Zustand befunden hat, oder in dem geschlossenen Zustand hält, falls sie sich bereits im geschlossenen Zustand befunden hat. Jede Schalteinheit weist insbesondere zumindest ein Schaltelement auf. Die Schaltelemente können als mechanischer Schalter mit galvanischer Trennung, beispielsweise Relais oder Schütze, und/oder als elektronische Schalter bzw. Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, ausgebildet sein.
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Zwei Schalteinheiten sind als Hauptschalteinheiten ausgebildet. Die erste Hauptschalteinheit ist zwischen den ersten Pol der ersten Batterieeinheit und den ersten Ladeanschlusspunkt geschaltet und dient dazu, den ersten Pol der ersten Batterieeinheit schaltbar mit dem ersten Ladeanschlusspunkt zu verbinden. Die zweite Hauptschalteinheit ist zwischen den zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und den zweiten Ladeanschlusspunkt geschaltet und dient dazu, den zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit schaltbar mit dem zweiten Ladeanschlusspunkt zu verbinden. Die erste Nebenschalteinheit ist zwischen den ersten Pol der zweiten Batterieeinheit und den ersten Ladeanschlusspunkt geschaltet und dient dazu, den ersten Pol der zweiten Batterieeinheit schaltbar mit dem ersten Ladeanschlusspunkt zu verbinden. Die zweite Nebenschalteinheit ist zwischen den zweiten Pol der ersten Batterieeinheit und den zweiten Ladeanschlusspunkt geschaltet und dient dazu, den zweiten Pol der ersten Batterieeinheit schaltbar mit dem zweiten Ladeanschlusspunkt zu verbinden.
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Um die Batterieeinheiten seriell zu verschalten, ist die Zwischenschalteinheit zwischen die Batterieeinheiten geschaltet. Wenn die Zwischenschalteinheit geschlossen ist, dann sind die Batterieeinheiten seriell verbunden. Im seriell verbundenen Zustand bildet der erste Pol der ersten Batterieeinheit einen ersten Anschluss der Hochvoltbatterie und der zweite Pol der zweiten Batterieeinheit bildet einen zweiten Anschluss der Hochvoltbatterie. Über diese Anschlüsse kann die Hochvoltbatterie, beispielsweise über eine Schaltvorrichtung, zum Bereitstellen der Antriebsleistung mit dem Antrieb des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden werden.
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Um die Hochvoltbatterie zu laden, werden die Ladeanschlusspunkte des Batteriesystems mit der Ladestation elektrisch verbunden. Im verbundenen Zustand mit der Ladestation kann außerdem eine Kommunikationsverbindung zwischen der Ladestation und der Steuereinrichtung aufgebaut werden, über welche die Ladestation der Steuereinrichtung ihre Ausgestaltung und damit den zur Verfügung stehenden Wert der Ladespannung übermittelt. Falls die Ladestation eine Schnellladesäule ist und den ersten Wert der Ladespannung bereitstellt, so schließt die Steuereinrichtung die Hauptschalteinheiten und die Zwischenschalteinheit. Die Nebenschalteinheiten bleiben geöffnet oder werden von der Steuereinrichtung geöffnet. Mittels der Zwischenschalteinheit werden die Batterieeinheiten in Reihe geschaltet. Mittels der Hauptschalteinheiten wird die Reihenschaltung der Batterieeinheiten an die Ladeanschlusspunkte angeschlossen. Im verbundenen Zustand mit der Ladestation entsteht somit ein geschlossener Stromkreis zwischen der Ladestation und der Reihenschaltung, über welchen die Reihenschaltung geladen werden kann.
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Falls die Ladestation eine herkömmliche Ladesäule ist und den zweiten Wert der Ladespannung bereitstellt, so schließt die Steuereinrichtung die Hauptschalteinheiten und die Nebenschalteinheiten. Die Zwischenschalteinheit bleibt geöffnet oder wird von der Steuereinrichtung geöffnet. Dadurch wird die Hochvoltbatterie in die zueinander separaten Batterieeinheiten unterteilt. Durch die geschlossenen Haupt- und Nebenschalteinheiten werden die Batterieeinheiten parallel an die Ladeanschlusspunkte geschaltet. So entstehen, im verbundenen Zustand mit der Ladestation, zwei geschlossenen Stromkreise. Ein erster Stromkreis weist die Ladestation und die erste Batterieeinheit auf, welche über die erste Hauptschalteinheit an den ersten Ladeanschlusspunkt und über die zweite Nebenschalteinheit an den zweiten Ladeanschlusspunkt angeschlossen ist. Ein zweiter Stromkreis weist die Ladestation und die zweite Batterieeinheit auf, welche über die erste Nebenschalteinheit an den ersten Ladeanschlusspunkt und über die zweite Hauptschalteinheit an den zweiten Ladeanschlusspunkt angeschlossen ist.
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Mittels nur fünf Schalteinheiten kann somit eine kostengünstige und flexible Topologie bereitgestellt werden, mittels welcher die Hochvoltbatterie sowohl an Schnellladestationen als auch an herkömmlichen Ladestationen geladen werden kann. Hierdurch muss in vorteilhafter Weise kein teurer Gleichspannungswandler mit hohem Bauraumbedarf im Kraftfahrzeug vorgesehen werden.
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Besonders bevorzugt weisen die zwei Hauptschalteinheiten und die Zwischenschalteinheit ein erstes Leistungsvermögen für einen ersten Wert einer von der Ladestation bereitgestellten Ladeleistung auf, während die zwei Nebenschalteinheiten ein im Vergleich zum ersten Leistungsvermögen kleineres zweites Leistungsvermögen für einen geringeren zweite Wert der von der Ladestation bereitgestellten Ladeleistung aufweisen. Dieser Ausführung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ladestationen durch die unterschiedlichen Ladespannungen sowie unterschiedliche Ladeströme unterschiedliche Ladeleistungen bereitstellen können. Während Schnellladesäulen beispielsweise einen ersten Wert der Ladeleistung von bis zu 350 kW bereitstellen, ist eine Ladeleistung von herkömmlichen Ladesäulen auf einen zweiten Wert, beispielsweise auf 50 kW, beschränkt. Diejenigen Schalteinheiten, welche beim Laden der Hochvoltbatterie an der Schnellladesäule geschaltet werden, also die Hauptschalteinheiten und die Zwischenschalteinheit, müssen an die von der Ladestation bereitgestellte Ladeleistung angepasst sein. Dazu weisen diese Schalteinheiten das erste Leistungsvermögen auf, welches insbesondere dem ersten Wert der von der Ladestation bereitgestellten Ladeleistung entspricht. Bei dem Leistungsvermögen, beispielsweise bei 350 kW, weist die Schalteinheit bei einer anliegenden Spannung von 800 V eine erste Stromtragfähigkeit von beispielsweise ca. 440 A auf.
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Die Nebenschalteinheiten hingegen werden nur beim Laden der Hochvoltbatterie an einer herkömmlichen Ladestation geschaltet, welche eine geringere Ladeleistung, beispielsweise 50 kW, bereitstellt. Diese Ladeleistung wird durch die Parallelschaltung der Batterieeinheiten auf die beiden Nebenschalteinheiten aufgeteilt, sodass diese jeweils nur das zweite Leistungsvermögen aufweisen müssen, welches der halben Ladeleistung entspricht. Bei dem zweiten Wert der Ladeleistung können die Nebenschalteinheiten also jeweils das zweite Leistungsvermögen, beispielsweise bei 25 kW, aufweisen. Dies entspricht einer zweiten Stromtragfähigkeit von beispielsweise ca. 63 A bei einer anliegenden Spannung von 400 V auf. Die Nebenschalteinheiten können somit in vorteilhafter Weise deutlich kleiner, und damit kostengünstiger und gewichtsärmer, ausgebildet werden.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon. Das Kraftfahrzeug ist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist die Hochvoltbatterie als Traktionsbatterie auf.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriesystem vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
- 2 eine schematische Darstellung des Batteriesystems gemäß 1 beim Laden mit einem ersten Wert einer Ladespannung; und
- 3 eine schematische Darstellung des Batteriesystems gemäß 1 beim Laden mit einem zweiten Wert einer Ladespannung.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 1 für einen Antrieb 2 eines hier nicht gezeigten, elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Batteriesystem 1 weist eine Hochvoltbatterie 3 auf, welche aus zwei Batterieeinheiten 3a, 3b besteht. Jede Batterieeinheit 3a, 3b weist eine Verschaltung und Batterieuntereinheiten 4 auf, welche als Batteriezellen oder Batteriemodule ausgebildet sein können. Jede Batterieeinheit 3a, 3b weist einen ersten Pol P1a, P1b und einen zweiten Pol P2a, P2b auf. Außerdem weist das Batteriesystem 1 zwei Ladeanschlusspunkte L1, L2 auf, welche mit einer hier nicht gezeigten, fahrzeugexternen Ladestation elektrisch verbunden werden können.
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Der erste Pol P1a der ersten Batterieeinheit 3a ist über eine erste Hauptschalteinheit HS1 mit dem ersten Ladeanschlusspunkt L1 elektrisch verbindbar. Der zweite Pol P2b der zweiten Batterieeinheit 3a ist über eine zweite Hauptschalteinheit HS2 mit dem zweiten Ladeanschlusspunkt L2 elektrisch verbindbar. Außerdem sind der erste Pol P1a der ersten Batterieeinheit 3a und der zweite Pol P2b der zweiten Batterieeinheit 3a über eine Schaltvorrichtung 5 mit dem Antrieb 2 elektrisch verbindbar.
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Der erste Pol P1b der zweiten Batterieeinheit 3b ist über eine erste Nebenschalteinheit NS1 mit dem ersten Ladeanschlusspunkt L1 elektrisch verbindbar. Der zweite Pol P2a der ersten Batterieeinheit 3a ist über eine zweite Nebenschalteinheit NS2 mit dem zweiten Ladeanschlusspunkt L2 elektrisch verbindbar. Jeder Pol P1a, P2a, P1b, P2b ist also über jeweils eine Schalteinheit HS1, HS2, NS1, NS2 mit jeweils einem der Ladeanschlusspunkte L1, L2 elektrisch verbindbar. Der zweite Pol P2a der ersten Batterieeinheit 3a und der erste Pol P1b der zweiten Batterieeinheit 3b sind über eine Zwischenschalteinheit ZS zum seriellen Verbinden der Batterieeinheiten 3a, 3b elektrisch verbindbar. Die Schalteinheiten HS1, HS2, NS1, NS2, ZS sind über eine hier nicht gezeigte Steuereinrichtung zum Öffnen und Schließen ansteuerbar.
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In 2 sind Schaltzustände der Schalteinheiten HS1, HS2, NS1, NS2, ZS gezeigt, falls das Batteriesystem 1 mit einer Ladestation in Form von einer Schnellladesäule verbunden ist, welche einen ersten Wert der Ladespannung, beispielsweise 800 V, und einen ersten Wert der Ladeleistung, beispielsweise 350 kW, bereitstellt. Die Schalteinheiten HS1, HS2 und ZS sind geschlossen, die Nebenschalteinheiten NS1, NS2 sind geöffnet. Durch die geschlossene Zwischenschalteinheit ZS sind die Batterieeinheiten 3a, 3b in Serie geschaltet. Die in Serie geschalteten Batterieeinheiten 3a, 3b sind über die Hauptschalteinheiten HS1, HS2 an die Ladeanschlusspunkte L1, L2 angeschlossen. Da die hier geschlossenen Schalteinheiten HS1, HS2, ZS für den von der Ladestation bereitgestellten ersten Wert der Ladeleistung ausgelegt sein müssen, weisen diese ein erstes Leistungsvermögen, beispielsweise ca. 350 kW, 440 A, 800 V, auf.
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In 3 sind Schaltzustände der Schalteinheiten HS1, HS2, NS1, NS2, ZS gezeigt, falls das Batteriesystem 1 mit einer Ladestation in Form von einer herkömmlichen Ladesäule verbunden ist, welche einen zweiten Wert der Ladespannung, beispielsweise 400 V, und einen zweiten Wert der Ladeleistung, beispielsweise 50 kW, bereitstellt. Die Schalteinheiten HS1, HS2, NS1, NS2 sind geschlossen, die Zwischenschalteinheit ZS ist geöffnet. Durch die geöffnete Zwischenschalteinheit ZS und die geschlossenen Haupt- und Nebenschalteinheiten HS1, HS2, NS1, NS2 sind die Batterieeinheiten 3a, 3b parallel an die Ladeanschlusspunkte L1, L2 geschaltet. Somit ist jede Batterieeinheit 3a, 3b über jeweils eine Hauptschalteinheit HS1, HS2 und eine Nebenschalteinheit NS1, NS an beide Ladeanschlusspunkte L1, L2 angeschlossen. Da die hier geschlossenen Nebenschalteinheiten NS1, NS2 nur für die Hälfte des von der Ladestation bereitgestellten zweiten Werts der Ladeleistung, beispielsweise 50 kW, ausgelegt sein müssen, weisen diese ein zweites Leistungsvermögen, beispielsweise ca. 25 kW, 63 A 400 V, auf. Die Nebenschalteinheiten NS1, NS2 können somit deutlich kostengünstiger und kleiner ausgebildet sein als die Hauptschalteinheiten HS1, HS2 und die Zwischenschalteinheit ZS.
