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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug. In einem solchen Batteriesystem sind Batteriezellen zu einem Zellverbund verschaltet. Die Batteriezelle können jeweils eine galvanische Zelle enthalten, um eine Zellspannung zu erzeugen. Jede Batteriezelle ist schaltbar ausgestaltet, das heißt sie enthält zumindest ein Schaltelement, durch welches jede Batteriezelle individuell in den Zellverbund zugeschaltet oder durch eine elektrische Überbrückung von dem Zellverbund weggeschaltet werden und dabei einen Batteriestrom durchlassen kann (die galvanische Zelle ist überbrückt). Zum Erzeugen der entsprechenden Schaltsignale für die Schaltelemente der Batteriezellen ist in dem Batteriesystem eine Steuerschaltung bereitgestellt. Zu der Erfindung gehören auch ein Betriebsverfahren für das Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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Individuell schaltbare Batteriezellen für ein Batteriesystem sind beispielsweise aus der
DE 10 2015 002 077 B3 bekannt.
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Durch individuelles Zuschalten und Wegschalten einzelner Batteriezellen ist es möglich, an einem Batterieanschluss eines Batteriesystems auf der Grundlage der einzelnen Zellspannungen eine Wechselspannung zu erzeugen, wie es in der
DE 10 2012 200 577 A1 beschrieben ist. Aus der
DE 10 2011 075 376 A1 ist bekannt, dass mittels einer solchen Wechselspannung eine elektrische Maschine direkt an einem Batteriesystem betrieben werden kann und somit ein separater Wechselrichter unnötig ist.
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Aus der
DE 11 2014 001 669 T5 ist bekannt, dass für den Fall, dass nicht alle Batteriezellen in dem Batterieverbund zugeschaltet sein müssen, um eine Leistungsanforderung eines Verbrauchers zu erfüllen, Batteriezellen abwechselnd in den Zellverbund zugeschaltet werden können, um hierdurch die Batteriezellen abwechselnd und gleichmäßig zu belasten.
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Aus der
DE 10 2012 223 482 A1 ist bekannt, dass das zellindividuelle Schalten von Batteriezellen mittels einer Pulsweitenmodulation erfolgen kann.
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Zum Nachladen von elektrischer Energie in die Batteriezellen ist bei einem heutigen Batteriesystem ein Ladegerät notwendig, das aus einer AC-Wechselspannung (AC-Wechselstrom, alternating current) eines Stromnetzes oder öffentlichen Versorgungsnetzes eine Gleichspannung erzeugt, die der Verbundspannung des Zellverbunds zuzüglich eines Deltawertes entspricht. Durch Einstellen des Deltawertes kann die Stromstärke des Ladestroms eingestellt werden (Potentialunterschied zwischen Ladegerät und Zellverbund). Der schaltungstechnische Aufwand für ein solches Ladegerät besteht in der Regel aus einem EMV-Filter (EMV - elektromagnetische Verträglichkeit), einem Gleichrichter, eine sogenannte PFC-Stufe (PFC - Power Factor Correction) und einem Zwischenkreiskondensator. Ist eine galvanische Trennung vorgesehen, so können zusätzlich ein Wechselrichter, ein HF-Transformator (HF - Hochfrequenz) und ein weiterer Gleichrichter vorgesehen sein.
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Ein Beispiel für eine Ladeschaltung ist aus der
DE 20 2012 005 893 U1 bekannt. Die darin beschriebene Ladeschaltung sieht für einzelne Batteriemodule, die jeweils einige der Batteriezellen enthalten, einen individuellen DC/DC-Wandler (DC - Gleichstrom, durating current) vor, um jedes Batteriemodul mit einer Ladespannung kleiner als 20 Volt direkt über eine Ladespannung von 550 Volt laden zu können.
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Um einzelne Batteriezellen in einem Batteriesystem individuell laden zu können, ist aus der
DE 10 2013 005 104 A1 bekannt, dass mittels eines Schaltwandlers eine Ladespannung an die Summenspannung derjenigen Batteriezellen angepasst werden kann, die aktuell geladen werden sollen.
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Insgesamt ergibt sich für den Ladebetrieb eines Batteriesystems durch die Ladeschaltungen ein unerwünscht großer schaltungstechnischer Aufwand, insbesondere die aufwändige Glättung der gleichgerichteten AC-Wechselspannung aus dem Stromnetz. Dies ist insbesondere für den Ladebetrieb einer Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie der Fall, die einen Hochvoltspannung in einem Bereich größer als 60 Volt als Batteriespannung ausgeben kann, was die beteiligten Komponenten technisch aufwändig macht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Batteriesystem eines Kraftfahrzeugs eine Lademöglichkeit zum Nachladen von elektrischer Energie auf Basis einer AC-Wechselspannung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Bei dem Batteriesystem handelt es sich insbesondere um eine Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie für einen elektrischen Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs oder um ein 48 Volt Batteriesystem. Das Batteriesystem weist eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die zu einem Zellverbund verschaltet sind. In dem Zellverbund können die einzelnen Batteriezellen gruppenweise als Zellgruppen parallel geschaltet sein und diese parallel geschalteten Zellgruppen können in Serie verschaltet sein, um insgesamt aus den Zellspannungen als Summe der in Serie geschalteten Zellgruppen eine Verbundspannung des Zellverbunds zu erzeugen. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sind die Batteriezellen jeweils schaltbar, das heißt die Batteriezellen weisen jeweils zumindest ein Schaltelement auf und die Batteriezellen sind mittels eines jeweiligen Schaltsignals durch ihr zumindest eines Schaltelement abwechselnd zumindest in zwei unterschiedliche Schaltzustände schaltbar, nämlich in einen zugeschalteten Schaltzustand, in welchem die Batteriezelle in den Zellverbund zugeschaltet ist (also ihre Zellspannung in dem Zellverbund wirksam ist), und in einen überbrückten Schaltzustand, in welchem die Batteriezelle in dem Zellverbund elektrisch überbrückt ist (also ihre Zellspannung in dem Zellverbund unwirksam ist, aber ein elektrischer Batteriestrom durchgelassen wird). Das zumindest eine Schaltelement kann jeweils beispielsweise durch einen Transistor oder eine Parallelschaltung und/oder Reihenschaltung mehrerer Transistoren gebildet sein.
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Um die einzelnen Batteriezellen zu schalten, also für sie das jeweilige Schaltsignal zu erzeugen, ist in dem Batteriesystem eine Steuerschaltung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, das jeweilige Schaltsignal zum Steuern des jeweiligen zumindest einen Schaltelements der Batteriezellen zu erzeugen. Eine solche Steuerschaltung kann beispielsweise auf der Grundlage zumindest eines Mikrocontrollers und/oder zumindest eine Mikroprozessors ausgestaltet sein. In Abhängigkeit von den eingestellten Schaltzuständen der Batteriezellen ergibt sich durch die jeweils zugeschalteten Batteriezellen in dem Zellverbund eine Verbundspannung, die durch die einzelnen Zellspannungen zugeschalteten Batteriezellen erzeugt ist.
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Um nun für die Batteriezellen eine Möglichkeit zum Nachladen von elektrischer Energie auf der Grundlage einer AC-Wechselspannung bereitzustellen, ist bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ein Wechselspannungsanschluss zum Empfangen einer AC-Wechselspannung bereitgestellt. Die AC-Wechselspannung kann beispielsweise eine 120 Volt-Wechselspannung oder eine 230 Volt-Wechselspannung sein, um nur Beispiele zu nennen. Der Wechselspannungsanschluss ist über eine Gleichrichterschaltung mit dem Zellverbund verschaltet. Der Wechselspannungsanschluss und die Gleichrichterschaltung müssen hierbei nicht unbedingt in einem Batteriegehäuse des Zellverbunds verbaut sein, sondern können als separates Ladegerät mit dem Zellverbund verbunden oder verschaltet sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Gleichrichterschaltung in ein Batteriegehäuse des Zellverbunds integriert ist. Die Gleichrichterschaltung ist dazu eingerichtet, über den Wechselspannungsanschluss die besagte AC-Wechselspannung zu empfangen und an den Zellverbund eine Ausgabespannung aus gleichgerichteten Halbwellen der AC-Wechselspannung auszugeben. Die Gleichrichterschaltung kann somit sehr einfach ausgestaltet sein, da sie lediglich eine Gleichrichtung zum Erzeugen der gleichgerichteten Halbwellen bereitstellen muss, also eine ungeglättete, gleichgerichtete Spannung (DC-Spannung) ausgeben muss. Die Halbwellen können also den Zellverbund erreichen. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, für einen Ladebetrieb des Zellverbundes mittels des jeweiligen Schaltsignals für die Batteriezellen in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf und/oder einem Effektivwert der Ausgabespannung (also der gleichgerichteten Halbwellen) eine oder einige oder jede der Batteriezellen jeweils in einen der beiden besagten Schaltzustände (zugeschaltet oder überbrückt) zu schalten. Der zeitliche Verlauf und/oder der Effektivwert der Ausgabespannung kann hierzu mittels einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Messschaltung ermittelt werden.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass für den Ladebetrieb eine AC-Wechselspannung genutzt werden kann, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand, nämlich einer Gleichrichterschaltung zum Erzeugen gleichgerichteter Halbwellen, direkt zum Laden einzelner Batteriezellen genutzt werden kann. Hierzu schaltet die Steuerschaltung beispielsweise immer nur so viele Batteriezellen in den Zellverbund, dass sich der zeitliche Verlauf und/oder der Effektivwert der Ausgabespannung des Gleichrichters einerseits und die Verbundspannung des Zellverbunds andererseits soweit entsprechen, dass ein resultierender elektrischer Ladestrom eine Stromstärkewert aufweist, der kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert ist. Somit ist verhindert, dass im zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Halbwellen eine der zugeschalteten Batteriezellen beschädigt wird. Wie noch beschrieben werden wird, kann mit der beschriebenen Schaltungsanordnung auch ein Hochsetzstellerbetrieb realisiert werden.
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Durch den Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems ergibt sich ein Verfahren, das ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist und hier (unter Wiederholung der oben genannten Merkmale) noch einmal beschrieben ist.
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In der beschriebenen Weise wird bei dem Verfahren durch die Steuerschaltung des Batteriesystems ein jeweiliges Schaltsignal zum Steuern zumindest eines jeweiligen Schaltelements der Batteriezellen des Batteriesystems erzeugt. Pro Batteriezelle kann also ein Schaltsignal vorgesehen sein, das in der Batteriezelle das zumindest eine Schaltelement schaltet oder in einem Schaltzustand hält, wobei sich als Schaltzustände zumindest ergeben, dass die Batteriezelle in dem Zellverbund zugeschaltet ist oder elektrisch überbrückt ist, das heißt den elektrischen Strom des Zellverbunds an seiner galvanischen Zelle vorbei führt.
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Das Batteriesystem empfängt an seinem Wechselspannungsanschluss die AC-Wechselspannung und die Gleichrichterschaltung, die die AC-Wechselspannung über den Wechselspannungsanschluss empfängt, gibt an, den Zellverbund der Batteriezellen eine Ausgabespannung aus gleichgerichteten Halbwellen der AC-Wechselspannung aus. Die Steuerschaltung schaltet für den Ladebetrieb des Zellverbunds, also zum Aufladen der einzelnen Batteriezellen mit elektrischer Energie, mittels des jeweiligen Schaltsignals für die Batteriezellen in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf und/oder einem Effektivwert der Ausgabespannung eine oder einige oder jede der Batteriezellen jeweils in einen von zwei Schaltzuständen, von denen einer der zugeschaltete Schaltzustand und der andere der elektrisch überbrückte Schaltzustand ist. Mit dem zeitlichen Verlauf der Halbwellen kann also die Anzahl der zugeschalteten Batteriezellen variieren. Der Effektivwert kann für ein Zeitintervall berechnet sein, der in einem Bereich von 0,1 Sekunden bis 10 Sekunden liegen kann.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben. Im Folgenden sind die Merkmale der Ausführungsformen dabei in Zusammenhang mit dem Batteriesystem beschrieben. Die Erfindung umfasst aber auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche die entsprechenden Merkmale ebenfalls aufweisen. Der Einfachheit halber sind hier nur die Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems deshalb beschrieben.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, durch individuelles Umschalten der Schaltzustände der Batteriezellen des Zellverbunds einen zeitlichen Verlauf der Verbundspannung an den zeitlichen Verlauf der Ausgabespannung abzüglich eines vorbestimmten Deltawerts anzugleichen. Die Verbundspannung ist also um den Deltawert geringer als die Ausgabespannung, sodass sich ein Stromfluss hin zum Zellverbund ergibt. Durch den Deltawert wird damit der Ladestrom in den Zellverbund bewirkt. Der Deltawert kann hierbei derart eingestellt oder vorgegeben sein, dass der Ladestrom in der beschriebenen Weise in Bezug auf die Stromstärke auf einen vorbestimmten Höchstwert begrenzt ist. Der zeitliche Verlauf der Verbundspannung kann stufenweise durch jeweils Zuschalten einer Batteriezelle oder einer Zellgruppe parallel geschalteter Batteriezellen jeweils um die Zellspannung erhöht werden. Durch Wegschalten oder Überbrücken einer Batteriezelle oder einer Zellgruppe parallel geschalteter Batteriezellen kann die Verbundspannung um den Betrag der Zellspannung verringert werden. Somit weist also die Verbundspannung einen gestuften Verlauf auf, der an den zeitlichen Verlauf der Ausgabespannung abzüglich des Deltawerts angeglichen werden kann. Für den Nulldurchgang der AC-Wechselspannung kann hierbei ein Ausnahmeschaltsignal vorgesehen sein, da in dem Zellverbund keine negative Spannung erzeugt werden kann, sodass beim Übergang zwischen zwei Halbwellen, wenn die Ausgabespannung den Wert 0 aufweist, die Verbundspannung nicht null abzüglich des Deltawerts eingestellt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist die Gleichrichterschaltung mit dem Zellverbund über zumindest eine Speicherinduktivität gekoppelt und die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, in wiederholten Schaltzyklen jeweils durch gemeinsames Schalten der Batteriezellen in den überbrückten Schaltzustand die Gleichrichterschaltung über die Speicherinduktivität kurzzuschließen. Es fließt dann durch die Speicherinduktivität ein Kurzschlussstrom. Hierdurch wird die Speicherinduktivität mit Energie geladen. In jedem Schaltzyklus werden dann die Batteriezellen in den zugeschalteten Schaltzustand geschaltet, sodass die Batteriezellen in ihrem zugeschaltete Schaltzustand mit der Speicherinduktivität verbunden sind. die zugeschalteten Batteriezellen sind dann mit der Speicherinduktivität verbunden. Die in der Speicherinduktivität gespeicherte Energie wird in die Batteriezellen übertragen. Durch Wiederholen dieser Schaltzyklen (Kurzschließen der Gleichrichterschaltung über die Speicherinduktivität und anschließendes Verbinden der Speicherinduktivität mit den Batteriezellen) ergibt sich insgesamt der bereits erwähnte Hochsetzstellerbetrieb, mittels welchem elektrische Energie von dem Wechselrichter in den Zellverbund übertragen werden kann und hierbei die verwendete Verbundspannung des Zellverbunds durch eine Zyklendauer auf einen Spannungssollwert eingestellt oder eingeregelt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, zwischen den Schaltzuständen mittels einer Pulsweitenmodulation, PWM, umzuschalten und ein Tastverhältnis (duty cycle) der PWM mittels einer Regelungsfunktion zum Einregeln der Verbundspannung und/oder der AC-Wechselspannung auf einen vorbestimmten Spannungsverlauf vorzugeben. Die Regelungsfunktion kann auf einem Regelalgorithmus aus dem Stand der Technik beruhen. Das Passverhältnis wird mittels der Regelfunktion derart variiert oder eingestellt, dass der resultierende zeitliche Verlauf der Verbundspannung und/oder der AC-Wechselspannung dem jeweils vorgegebenen Spannungsverlauf (bis auf einen Regelfehler) entspricht, wobei die Regelfunktion dazu eingerichtet ist, den Regelfehler auf null einzuregeln. Die Regelfunktion kann auf einem PI-Regler oder PID-Regler (PID - proportional, integral, differential) basieren. Durch eine PWM ergibt sich der Vorteil, dass auch ein Spannungswert für die Verbundspannung vorgegeben werden kann, der ein nicht-ganzzahliges Vielfaches der Zellspannungen der Batteriezellen im Mittelwert oder Effektivwert entspricht.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, an dem Wechselspannungsanschluss durch das Umschalten der Schaltzustände einen vorbestimmten Power-Faktor (Leistungsfaktor) einzuregeln. Hierdurch ist eine Rückwirkung der Schaltvorgänge in den Zellverbund in das Wechselspannungsnetz, welches die AC-Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss bereitstellt, verringert oder vermieden. Dies entspricht der eingangs beschriebenen PFC.
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In einer Ausführungsform ist an den Wechselspannungsanschluss eine Sekundärspule zum Empfangen eines magnetischen Wechselfeldes eines induktiven Ladesystems angeschlossen. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, einen vorgegebenen Algorithmus zum Bestimmen eines optimalen Arbeitspunktes eines Resonanzkreises zu betreiben. Der Resonanzkreis ist hierbei durch die Sekundärspule selbst, den Gleichrichter und einen an einen zellverbundseitigen Ausgang des Gleichrichters angeschlossenen Kondensator gebildet. Der besagte Algorithmus kann an sich aus dem Stand der Technik entnommen werden, wo solche Algorithmen in Bezug auf den Betrieb von induktiven Ladesystemen für Kraftfahrzeuge bekannt sind. ein solcher Algorithmus bestimmt als optimalen Arbeitspunkt eine Gleichspannung, die an dem Kondensator am Ausgang des Gleichrichters vorliegen muss, damit die Übertragung der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes eine vorbestimmte Mindesteffizienz aufweist. Durch Einstellen der Verbundspannung, die an dem Kondensator anliegt, kann also die Effizienz der Übertragung der Energie beeinflusst werden. Die Steuerschaltung ist entsprechend dazu eingerichtet, die Verbundspannung auf einen durch den Algorithmus vorgegebenen Spannungswert mittels des Schaltsignals einzustellen, indem mittels des Schaltsignals eine der durch den Algorithmus vorgegebenen Spannungswert entsprechende Anzahl von Batteriezellen in den Zellverbund in Serie zugeschaltet wird. Der Zellverbund erzeugt also eine Gegenspannung, welche der Ausgabespannung des Gleichrichters entgegen wirkt. Mittels der Verbundspannung kann dabei das Resonanzverhalten oder die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises des induktiven Ladesystems beeinflusst werden.
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Die Batteriezellen, die sich zum aktuellen Zeitpunkt im zugeschalteten Schaltzustand befinden, werden im Folgenden insgesamt als Teilverbund des Zellverbunds beschrieben. Der Teilverbund umfasst also all diejenigen Batteriezellen, die in dem Zellverbund aktuell zugeschaltet sind. In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, in einem Rotationsbetrieb andere der Batteriezellen dem Teilverbund zuzuordnen oder zuzuschalten und dafür im Wechsel Batteriezellen des Teilverbunds wegzuschalten oder zu überbrücken und hierdurch in Bezug auf eine Belastung und/oder Ladedauer für die Batteriezellen ein vorgegebenes Einheitlichkeitskriterium zu erfüllen. Um Batteriezellen aus dem Teilverbund herauszuschalten werden diese in den überbrückten Schaltzustand geschaltet. Das Einheitlichkeitskriterium gibt vor, dass sich in einem vorbestimmten Zeitraum, beispielsweise zehn Minuten oder eine Stunde oder einem Tag oder einem Montag die Belastung der Batteriezellen und/oder eine Ladedauer der Batteriezellen um höchstens einen vorbestimmten Maximalwert unterscheiden darf. Die Belastung kann beispielsweise gemessen werden als Energiewert (Wattstunden) der durch eine jeweilige Batteriezelle umgesetzt (Aufladen und/oder Entladen) wurde. Durch diese Ausführungsform werden die Batteriezellen in dem Batteriesystem gleichmäßig verschlissen, sodass ein vorzeitiger Ausfall einer einzelnen Batteriezelle vermieden ist.
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In einer Ausführungsform ist zwischen dem Wechselspannungsanschluss und der Gleichrichterschaltung und/oder zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Zellverbund jeweils ein EMV-Filter geschaltet. Ein solches EMV-Filter kann beispielsweise auf der Grundlage zumindest eines Kondensators gebildet sein, der zwischen Anschlussleitungen des Wechselspannungsanschlusses oder Anschlussleitungen des Zellverbunds geschaltet sein kann. Durch einen EMV-Filter können Oberwellen eines zeitlichen Verlaufs der AC-Wechselspannung oder Verbundspannung kurzgeschlossen und damit geglättet oder beseitigt werden. Hierdurch kann die Auswirkung von Schaltvorgängen der Batteriezellen, wie sie sich durch den Wechsel zwischen den beiden Schaltzuständen ergeben, in Bezug auf eine Störstrahlung verringert werden.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, in welchem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems bereitgestellt ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Steuerschaltung des Batteriesystems kann einen Datenspeicher aufweisen, in welchem Programminstruktionen gespeichert sein können, die bei Ausführen durch die Steuerschaltung die beschriebenen Steuerschritte der Steuerschaltung bewirken. Die Programm instruktionen können durch eine Prozessoreinrichtung der Steuerschaltung ausgeführt werden, welche den beschriebenen zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen kann.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem Batteriesystem, das mittels einer Speicherinduktivität nachgeladen werden kann;
- 2 Diagramme mit schematisierten Verläufen von Ausgabe und Verbundspannungen; und
- 3 das Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei welcher eine Sekundärspule eines induktiven Ladesystems genutzt wird.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei welchem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 kann ein Batteriesystem 11 bereitgestellt sein, mittels welchem elektrische Energie gespeichert werden kann, die in dem Kraftfahrzeug 10 für einen Betrieb zumindest eines elektrischen Verbrauchers 12 genutzt werden kann. Bei dem Batteriesystem 11 kann es sich um ein Hochvolt-Batteriesystem handeln, welches für die Verbraucher 12 eine Hochvoltspannung von mehr als 60 Volt bereitstellen kann. Ein möglicher Verbraucher 12 kann beispielsweise eine elektrische Maschine für einen Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs 10 sein. Ein weiterer möglicher Verbraucher 12 kann ein Klimakompressor sein.
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Um in dem Batteriesystem 11 die elektrische Energie zu speichern, kann in dem Batteriesystem 11 ein Schaltverbund oder Zellverbund 13 aus einer Vielzahl von Batteriezellen 14 bereitgestellt sein. In jeder Batteriezelle 14 kann eine galvanische Zelle 15 zum elektrochemischen Speichern der Energie und eine Schalteinheit 16 mit zumindest einem Schaltelement 17 bereitgestellt sein. In der 1 ist lediglich ein einzelnes Schaltelement 17 pro Batteriezelle 14 dargestellt, die im folgenden beschriebene Funktion kann aber auch auf Grundlage mehrerer solcher Schaltelemente 17 realisiert sein.
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Als ein Schaltelement kann beispielsweise ein Transistor oder eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren vorgesehen sein.
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Die Schaltelemente 17 der Batteriezellen 14 können insgesamt durch eine Steuerschaltung 18 gesteuert werden, die hierzu an die Schaltelemente 17 ein jeweiliges Schaltsignal 19 aussenden kann.
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Durch die Verschaltung der Batteriezellen 14 im Zellverbund 13 kann insgesamt eine aus den Zellspannungen der Batteriezellen 14 eine Verbundspannung 20 erzeugt werden, deren Spannungswert von den Schaltzuständen der Schaltelemente 17 der Batteriezellen 14 abhängig ist. Mittels der Schaltelemente 17 können die Batteriezellen 14 zwischen zumindest zwei möglichen Schaltzuständen umgeschaltet werden. In 1 ist eine Batteriezelle 14' in einem zugeschalteten Schaltzustand S1 dargestellt, in welchem die Zellspannung der Batteriezelle 14 in dem Zellverbund 13 wirksam ist, das heißt einen Beitrag zur Verbundspannung 20 liefert. Eine weitere Batteriezelle 14" ist in einem überbrückten Schaltzustand S2 dargestellt, in welchem die galvanische Zelle 15 der Batteriezelle 14 in Bezug auf den Zellverbund 13 elektrisch überbrückt ist, sodass also die Batteriezelle 14" keine Beitrag zur Verbundspannung 20 leistet. Vielmehr wird der Batteriezelle im durchgeschalteten Zustand ein elektrischer Strom durch die Batteriezelle 14" durchgeleitet.
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Zum Aufladen der Batteriezellen 14 mit der elektrischen Energie kann das Batteriesystem 11 einen Wechselspannungsanschluss 21 aufweisen, welcher zwei Wechselspannungskontakte 22, 23 aufweisen kann, an die eine Wechselspannungsquelle 24 angeschlossen werden kann, beispielsweise ein Wechselspannungs-Stromnetz, welches die AC-Wechselspannung 25 bereitstellen kann. Die AC-Wechselspannung 25 kann in einer dem Wechselspannungsanschluss 21 nachgeschalteten Gleichrichterschaltung 26 gleichgerichtet werden, sodass sich an Ausgangsanschlüssen 27 der Gleichrichterschaltung 26 eine gleichgerichtete Ausgangsspannung 28 ergibt, deren zeitlicher Verlauf mit der Zeit t in 1 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass gleichgerichtete Halbwellen 29 über der Zeit von einem Wert von 0 Volt bis zu einem Maximalwert ansteigen und dann wieder auf 0 Volt abfallen. Die Gleichrichterschaltung 26 ist im Folgenden auch als Gleichrichter 26 bezeichnet.
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Ein zeitlicher Verlauf der AC-Wechselspannung 25 ist in 1 über der Zeit t skizziert.
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In dem Batteriesystem 11 kann ein EMV-Filter 30 bereitgestellt sein, durch welchen Schaltvorgänge der Schaltelemente 17 in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit angepasst oder kompensiert werden können. In dem Batteriesystem 11 kann zwischen der Gleichrichterschaltung 26 und dem Zellverbund 13 eine Speicherinduktivität 31 (L) bereitgestellt sein, die Energie speichern kann.
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Die Speicherinduktivität 31 kann auch als Glättungsinduktivität mit geringerem Speichervermögen an Energie ausgestaltet sein.
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2 zeigt zwei mögliche Schaltmodi M1, M2, mittels welchen die Steuerschaltung 18 das Schaltsignal 19 zum Schalten der Schaltelemente 17 erzeugen kann.
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Im Modus 1 können die Batteriezellen 14 des Zellverbunds 13 gemeinsam zwischen dem überbrückten Schaltzustand und dem zugeschalteten Schaltzustand umgeschaltet werden.
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Hierbei kann jeweils eine Auswahl von Batteriezellen 14 geschaltet werden, die dann einen zugeschalteten Teilverbund 35 darstellen (für das Bezugszeichen siehe 1),
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Durch abwechselndes Zuschalten der Batteriezellen 14 des Teilverbunds 35 und dann gleichzeitiges elektrisches Überbrücken wird die Speicherinduktivität 31 abwechselnd mit dem Teilverbund 35 der Batteriezellen 14 verbunden und dann wieder kurzgeschlossen. Im Schaltmodus 1 ergibt sich hierdurch eine Pulsweitenmodulation 36 in Bezug auf den Zellverbund 13, durch die ein Sollwert 37 für den Effektivwert oder Mittelwert der Verbundspannung 20 eingestellt werden kann. In Abhängigkeit von dem Sollwert 37 ergibt sich eine Stromstärke eines Ladestroms in den Zellverbund 13 aus dem Gleichrichter 26.
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Im Schaltmodus M2 können Batteriezellen 14 einzeln zugeschaltet und elektrisch überbrückt werden. Über der Zeit t ist in 2 noch einmal der zeitliche Verbrauch der Halbwelle 29 dargestellt. Wird durch Wahl der Anzahl der in Reihe zugeschalteten Batteriezellen 14 ein zeitlicher Verlauf 40 der Verbundspannung 20 eingestellt, welcher (bis auf den gestuften Verlauf) in einem zeitlich gemittelten Verlauf 41 den Halbwellen 29 um einen Deltawert 42 folgt, so kann hierdurch in Abhängigkeit vom Deltawert 42 ein Fluss eines Ladestroms in den Zellverbund 13 gesteuert werden.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher an den Wechselspannungsanschluss 21 eine Sekundärspule 44 eines induktiven Ladesystems 45 angeschlossen ist. Hierdurch kann in dem Kraftfahrzeug 10 der Zellverbund 13 durch induktives Laden aufgeladen werden. Die Wechselspannungsquelle 24 und eine Primärspule 46 können beispielsweise stationär in einem Boden angeordnet sein. Ein solches induktives Ladesystem kann wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgestaltet sein.
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Die Sekundärspule 44 kann im Betrieb des induktiven Ladesystems 45 eine AC-Wechselspannung 25 erzeugen und an den Gleichrichter 26 abgeben. An den Ausgangsanschlüssen 27 des Gleichrichters 26 kann ein Speicherkondensator oder allgemein ein Kondensator 47 angeschlossen sein, wodurch sich insgesamt aus der Sekundärspule 44, dem Gleichrichter 26 und dem Kondensator 47 ein Resonanzkreis 48 ergibt, der für einen effektiven Ladebetrieb des induktiven Ladesystems 45 durch die Steuerschaltung 18 angepasst werden kann. Hierzu kann der Wert der Verbundspannung 20 variiert oder eingestellt werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem eine Anzahl der im Teilverbund 35 aktuell zugeschalteten Batteriezellen 14 derart eingestellt wird, dass die Summe der in Serie geschalteten Zellspannungen den benötigten Wert für die Verbundspannung 20 ergibt. In einem Rotationsbetrieb können dabei die aktuell im Teilverbund 35 zugeschalteten Batteriezellen 14 ausgetauscht oder durchrotiert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung zum Laden eines Elektrofahrzeugs eine PWM-fähige und/oder stufenweise schaltbare Traktionsbatterie mit einer Wechselspannungsquelle gekoppelt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015002077 B3 [0002]
- DE 102012200577 A1 [0003]
- DE 102011075376 A1 [0003]
- DE 112014001669 T5 [0004]
- DE 102012223482 A1 [0005]
- DE 202012005893 U1 [0007]
- DE 102013005104 A1 [0008]
