DE102019134213B4 - Energy storage for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Energiespeicher (1) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit zumindest zwei parallel geschalteten Speichersträngen (10, 20, 30, 40), wobei der Energiespeicher eine erste Schnittstelle (61) und eine zweite Schnittstelle (62) aufweist, wobei die erste Schnittstelle (61) mit den Speichersträngen (10, 20, 30, 40) gekoppelt ist, wobei der Energiespeicher (1) einen Gleichspannungswandler (71) umfasst, wobei die zweite Schnittstelle (62-64) mit dem Gleichspannungswandler (71) gekoppelt ist, wobei die Speicherstränge (10, 20, 30, 40) und der Gleichspannungswandler (71) in einem gemeinsamen Gehäuse (85) angeordnet sind, wobei der Energiespeicher (1) aktivierbare Sicherheitstrennelemente (P1, P2) aufweist und die aktivierbaren Sicherheitstrennelemente (P1, P2) eingerichtet sind, um bei einem definierten Ereignis die erste Schnittstelle (61) von den Speichersträngen (10, 20, 30, 40) zu trennen, ohne die Energieversorgung an der zweiten Schnittstelle (62-64) zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherstränge (10, 20, 30, 40) Hochvolt-Speicherstränge sind und jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten in Reihe geschalteten Teilspeicherstrang (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) mit einem zwischenliegenden Mittelabgriff (13, 23, 33, 43) umfassen, wobei jeder Teilspeicherstrang zumindest eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle umfasst und die Hochvolt-Gleichspannungsquelle eine Potenzialdifferenz von mindestens 60 Volt aufweist, wobei die ersten Teilspeicherstränge (11, 21, 31, 41) jeweils ein in Reihenschaltung angeordnetes schaltbares Trennelement (14, 24, 34, 44) aufweisen, und jeweils zwei der Hochvolt-Speicherstränge (10, 20, 30, 40) an den Mittelabgriffen (13, 23, 33, 43) über ein Schaltelement (51, 52, 53) elektrisch koppelbar sind, wobei die erste Schnittstelle (61) eine Hochvolt-Schnittstelle zur Energieversorgung eines Hochvolt-Bordnetzes ist, wobei die zweite Schnittstelle (62-64) eine Niedervolt-Schnittstelle zur Energieversorgung eines Niedervolt-Bordnetzes ist, wobei der Gleichspannungswandler (71) ein Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler ist und aus einem der ersten Teilspeicherstränge (11, 21, 31, 41) gespeist wird.Energy store (1) for an electrically drivable vehicle, with at least two parallel-connected storage strands (10, 20, 30, 40), wherein the energy store has a first interface (61) and a second interface (62), the first interface (61 ) is coupled to the storage strings (10, 20, 30, 40), wherein the energy storage device (1) comprises a DC-DC converter (71), wherein the second interface (62-64) is coupled to the DC-DC converter (71), the storage strings (10, 20, 30, 40) and the DC-DC converter (71) are arranged in a common housing (85), the energy store (1) having activatable safety isolating elements (P1, P2) and the activatable safety isolating elements (P1, P2) being set up To separate the first interface (61) from the storage strands (10, 20, 30, 40) at a defined event without interrupting the power supply at the second interface (62-64), thereby marked This means that the storage strings (10, 20, 30, 40) are high-voltage storage strings and each have at least one first and one second partial storage string (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) with an intermediate center tap (13, 23, 33, 43), each partial storage string containing at least one high-voltage DC voltage source and the high-voltage direct voltage source having a potential difference of at least 60 volts, the first partial storage strings (11, 21, 31, 41) each have a switchable isolating element (14, 24, 34, 44) arranged in series, and two of the high-voltage storage strands (10, 20, 30, 40) each at the center taps (13, 23, 33, 43) can be electrically coupled via a switching element (51, 52, 53), the first interface (61) being a high-voltage interface for supplying energy to a high-voltage vehicle electrical system, the second interface (62-64) being a low-voltage interface for supplying energy to a low-voltage -On-board electrical system, the DC-DC converter (71) being a high-voltage/low-voltage DC-DC converter and being fed from one of the first partial storage strings (11, 21, 31, 41).
Description
Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.The invention relates to an energy store for an electrically driven vehicle and an electrically driven vehicle.
Elektrisch antreibbare Fahrzeuge rücken zunehmend in das Interesse der Menschen. Als elektrisch antreibbare Fahrzeuge sollen insbesondere Landfahrzeuge, nämlich unter Anderem Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge, Strahlflugzeuge gelten, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) sollen durch die Definition beispielsweise auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst werden.Electrically driven vehicles are increasingly attracting people's interest. In particular, land vehicles, namely off-road and road vehicles such as passenger cars, buses, trucks and other commercial vehicles, rail vehicles (trains), but also watercraft (boats) and aircraft such as helicopters, multicopters, propeller aircraft, jet aircraft should be considered to be electrically powered vehicles, which at least have an electric motor used to propel the vehicle. Vehicles can be manned or unmanned. In addition to pure electric vehicles (BEV), the definition should also include hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrids (PHEV) and fuel cell vehicles (FCHV).
Die Anzahl von elektrischen Sicherheits-, Komfort- und Informationssystemen ist schon heute je nach Fahrzeugkategorie und -ausstattung beträchtlich. Es ist dabei zu beobachten, dass zunehmend mehr Komponenten dieser Art verbaut werden. Als Beispiele seien exemplarisch Drive-by-Wire-Systeme (elektrisches Lenken) und Break-by-Wire-Systeme (elektrisches Bremsen), für Landfahrzeuge eine aktive Fahrwerksregelung, Assistenzsysteme und Infotainmentsysteme genannt. Es besteht dabei ein ständiges Bedürfnis daran, die Speicherkapazität der Energiespeicher, den Wirkungsgrad der elektrischen Komponenten, die Systemverfügbarkeit und die Ausfallsicherheit zu erhöhen, die Ladedauer zu verkürzen und die Komplexität in Technik und Produktion zu beherrschen.The number of electrical safety, comfort and information systems is already considerable today, depending on the vehicle category and equipment. It can be observed that more and more components of this type are being installed. Examples include drive-by-wire systems (electric steering) and break-by-wire systems (electric braking), active chassis control for land vehicles, assistance systems and infotainment systems. There is a constant need to increase the storage capacity of the energy storage, the efficiency of the electrical components, the system availability and reliability, to shorten the charging time and to master the complexity in technology and production.
Bereits in der Vergangenheit hat es verschiedene technische Ansätze gegeben, um den Stand der Technik weiterzuentwickeln.There have already been various technical approaches in the past to further develop the state of the art.
In der
US 2018 / 0 043 789 A1 offenbart eine elektrische Schaltung mit mindestens drei Batteriemodulen. Jedes der Batteriemodule umfasst mindestens einen Batterieteil und mindestens zwei elektrische Schalter. Jedes der Batteriemodule ist über eine elektrische Verbindungsleitung elektrisch mit mindestens einem zweiten der Batteriemodule verbunden.US 2018/0 043 789 A1 discloses an electrical circuit with at least three battery modules. Each of the battery modules includes at least one battery part and at least two electrical switches. Each of the battery modules is electrically connected to at least a second battery module via an electrical connecting line.
Die US 2016 / 0 254 521 A1 beschreibt eine Speicherbatterie, in der ein bzw. mehrere pyrotechnische Sicherheitstrennelemente (sogenannte Pyrofuses) vorgesehen sind.US 2016/0 254 521 A1 describes a storage battery in which one or more pyrotechnic safety isolating elements (so-called pyrofuses) are provided.
In der
Das Auslöseelement ist ausgebildet, bei Vorliegen einer vorbestimmten ersten Temperatur im Bereich des thermischen Auslöseelementes auszulösen.The triggering element is designed to trigger when a predetermined first temperature is present in the area of the thermal triggering element.
Die
In der
Keines der zitierten Dokumente betrifft einen Energiespeicher für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, der den besonders hohen Anforderungen an Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, insbesondere im Zusammenhang mit den Assistenzsystemen für autonomes Fahren, gerecht wird.None of the cited documents relates to an energy store for an electrically driven vehicle that meets the particularly high requirements for operational safety and reliability, particularly in connection with the assistance systems for autonomous driving.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen in Bezug auf die genannten Punkte verbesserten Energiespeicher für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sowie ein entsprechendes Fahrzeug bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an energy storage device for an electrically driven vehicle and a corresponding vehicle that is improved in relation to the points mentioned.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Energiespeicher gemäß Anspruch 1. Der Energiespeicher weist zumindest zwei parallel geschaltete Hochvolt-Speicherstränge mit jeweils mindestens einem ersten und einem zweiten in Reihe geschalteten Teilspeicherstrang auf. Die Teilspeicherstränge umfassen jeweils zumindest eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle. Hochvolt-Gleichspannungen sind im Sinne der Offenbarung durch eine Potentialdifferenz von mindestens 60 Volt gekennzeichnet. Vorliegend kann die Hochvolt-Gleichspannung der Hochvolt-Speicherstränge mehrere Hundert Volt betragen, z. B. 200 V, 400 V, 600 V, 800 V, 1200 V oder auch Spannungswerte zwischen den genannten. Beispielsweise kann es sich bei den Teilspeichersträngen um Batteriemodule mit jeweils einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Zellen handeln. Auch können mehrere Batteriemodule, ggf. mit weiteren elektronischen Komponenten, zu einem Batteriepack zusammengefasst sein und einen Teilspeicherstrang bilden. Die redundante Versorgung durch zumindest zwei Hochvolt-Speicherstränge verbessert die Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit der Energieversorgung.The object is achieved by an energy storage device according to
Gemäß einem weiteren Aspekt umfassen die ersten Teilspeicherstränge jeweils ein mit der Hochvolt-Gleichspannungsquelle in Reihenschaltung angeordnetes schaltbares Trennelement. Durch das Trennelement kann ein Stromfluss in den ersten Teilspeichersträngen unterbrochen werden.According to a further aspect, the first partial storage strings each include a switchable isolating element arranged in series with the high-voltage DC voltage source. A current flow in the first sub-storage strings can be interrupted by the isolating element.
Weiterhin ist zwischen dem ersten und dem zweiten Teilspeicherstrang ein Mittelabgriff angeordnet. Jeweils zwei der Hochvolt-Speicherstränge sind an den Mittelabgriffen über ein Schaltelement elektrisch koppelbar. Durch die schaltbare Kopplung kann der Stromfluss im Energiespeicher und insbesondere zwischen den Teilspeichersträngen situationsangepasst gesteuert (umgeleitet) werden.Furthermore, a center tap is arranged between the first and the second partial storage line. Two of the high-voltage storage strings can be electrically coupled at the center taps via a switching element. Due to the switchable coupling, the current flow in the energy store and in particular between the partial storage strings can be controlled (redirected) in a way that is adapted to the situation.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.Preferred configurations of the invention are specified in the dependent claims and the following description, each of which individually or in combination can represent an aspect of the invention.
Vorteilhaft kann durch die selektive Kopplung von mindestens zwei der Mittelabgriffe eine aktive Ladungsverschiebung/Umladung zwischen den Speichersträngen bzw. den einzelnen Teilspeichersträngen vorgenommen werden.Advantageously, by selectively coupling at least two of the center taps, an active charge transfer/charge reversal can be carried out between the storage strings or the individual partial storage strings.
Der Energiespeicher umfasst eine Hochvolt-Schnittstelle zur Energieversorgung eines Hochvolt-Bordnetzes und eine Niedervolt-Schnittstelle zur Energieversorgung eines Niedervolt-Bordnetzes. Niedervolt-Bordnetze sind in der Regel solche, die keine Hochvolt-Bordnetze sind. Niedervolt-Bordnetze können beispielsweise eine Spannung von 12 V, 24 V oder 48 V aufweisen. Die Hochvolt-Schnittstelle kann vorzugsweise elektrisch mit den Hochvolt-Speichersträngen gekoppelt sein. Der Energiespeicher kann einen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler umfassen. Die Niedervolt-Schnittstelle kann vorzugsweise mit dem Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler gekoppelt sein. Der Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler kann insbesondere aus einem der ersten Teilspeicherstränge gespeist werden. Bei dem Hochvolt-Bordnetz kann es sich um ein Traktionsbordnetz handeln, welches zumindest einen Traktionsmotor und/oder ggf. weitere Verbraucher umfasst. Eine separate Niedervolt-Batterie zur Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes ist dann nicht mehr zwingend notwendig. Optional kann eine zusätzliche (niederkapazitive) Spannungsquelle für den System-Aufstart vorgesehen sein.The energy store includes a high-voltage interface for supplying energy to a high-voltage vehicle electrical system and a low-voltage interface for supplying energy to a low-voltage vehicle electrical system. Low-voltage vehicle electrical systems are generally those that are not high-voltage vehicle electrical systems. Low-voltage vehicle electrical systems can have a voltage of 12 V, 24 V or 48 V, for example. The high-voltage interface can preferably be electrically coupled to the high-voltage storage strings. The energy store can include a high-voltage/low-voltage direct-current converter. The low-voltage interface can preferably be connected to the high-voltage Be coupled low-voltage DC-DC converter. The high-voltage/low-voltage direct current converter can in particular be fed from one of the first partial storage strings. The high-voltage vehicle electrical system can be a traction vehicle electrical system, which includes at least one traction motor and/or possibly other consumers. A separate low-voltage battery to supply the low-voltage vehicle electrical system is then no longer absolutely necessary. Optionally, an additional (low-capacity) voltage source can be provided for the system start-up.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt können die zweiten Teilspeicherstränge jeweils ein in Reihe geschaltetes schaltbares Trennelement umfassen. Hierdurch kann der Stromfluss in den zweiten Teilspeichersträngen unterbrochen werden.According to one advantageous aspect, the second partial storage strings can each include a switchable isolating element connected in series. As a result, the flow of current in the second partial storage strings can be interrupted.
Die schaltbaren Trennelemente können jeweils einen Halbleiterschalter umfassen. Halbleiterschalter verschleißen kaum. Des Weiteren kann durch eine gezielte Ansteuerung, beispielsweise mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder einem Betrieb im Abschnürbereich, ein aktives Batterie- bzw. Zellmanagement betrieben werden. Beispielsweise lassen sich Spannungsunterschiede durch gesteuerte Ladungsverschiebungen ausgleichen.The switchable isolating elements can each include a semiconductor switch. Semiconductor switches hardly wear out. Furthermore, an active battery or cell management can be operated through a targeted control, for example with a pulse width modulation (PWM) or an operation in the pinch area. For example, voltage differences can be compensated for by controlled charge transfers.
Vorteilhaft können die schaltbaren Trennelemente einen zu dem Halbleiterschalter parallel oder in Reihe geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter aufweisen. Durch die Parallelschaltung werden Verluste minimiert und die Verfügbarkeit beim Ausfall eines Trennelementes erhöht. Durch die alternative Reihenschaltung kann eine sichere elektrische Trennung gefördert werden. Bevorzugt können die schaltbaren Trennelemente ein Sicherheitstrennelement oder eine Sicherung umfassen. Durch die (zusätzliche) Redundanz wird eine sichere Trennung des Strompfades gefördert.Advantageously, the switchable isolating elements can have an electrically or electromagnetically actuatable switch connected in parallel or in series with the semiconductor switch. The parallel connection minimizes losses and increases availability if an isolating element fails. The alternative series connection can promote safe electrical separation. The switchable isolating elements can preferably include a safety isolating element or a fuse. The (additional) redundancy promotes safe separation of the current path.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der Energiespeicher einen zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler aufweisen. Der zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler kann aus einem der ersten oder zweiten Teilspeicherstränge gespeist werden. Die Niedervolt-Schnittstelle kann mit dem zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler gekoppelt sein.According to a further advantageous aspect, the energy store can have a second high-voltage/low-voltage direct-current converter. The second high-voltage/low-voltage direct-current converter can be fed from one of the first or second partial storage strings. The low-voltage interface can be coupled to the second high-voltage/low-voltage direct-current converter.
Bevorzugt kann der Energiespeicher einen weiteren Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler aufweisen. Der weitere Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler kann aus einem oder mehreren der Hochvolt-Speicherstränge gespeist werden.The energy store can preferably have a further high-voltage/low-voltage direct-current converter. The additional high-voltage/low-voltage DC converter can be fed from one or more of the high-voltage storage strings.
Die unterschiedlichen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler können jeweils verschiedene (Niedervolt-)Teilnetze versorgen. Alternativ können die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler die Redundanz erhöhen.The different high-voltage/low-voltage DC converters can each supply different (low-voltage) sub-networks. Alternatively, the high-voltage/low-voltage DC converters can increase redundancy.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der Energiespeicher zumindest drei der Hochvolt-Speicherstränge aufweisen. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders geeignet erwiesen.According to a further advantageous aspect, the energy store can have at least three of the high-voltage storage strands. This configuration has proven to be particularly suitable.
Vorteilhaft können die Mittelabgriffe über die Schaltelemente ringförmig koppelbar sein. Durch die ringförmige Kopplung wird die Anzahl der alternativen Strompfade erhöht.Advantageously, the center taps can be coupled in a ring shape via the switching elements. The ring-shaped coupling increases the number of alternative current paths.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Energiespeicher vier oder mehr der Hochvolt-Speicherstränge umfassen.In an advantageous embodiment, the energy store can include four or more of the high-voltage storage strings.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt können jeweils ein Hochvolt-Speicherstrang oder zwei Hochvolt-Speicherstränge in einem Batteriegehäuse angeordnet sein. Auf diese Weise lassen sich die Hochvolt-Speicherstränge aus dem Energiespeicher entnehmen und besonders leicht warten oder austauschen.According to a further advantageous aspect, one high-voltage storage string or two high-voltage storage strings can be arranged in a battery housing. In this way, the high-voltage storage strings can be removed from the energy store and serviced or replaced particularly easily.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind die Hochvolt-Speicherstränge und der bzw. die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Der Energiespeicher weist aktivierbare Sicherheitstrennelemente auf. Die Sicherheitstrennelemente sind eingerichtet, um bei einem definierten Ereignis die Hochvolt-Schnittstelle von den Hochvolt-Speichersträngen zu trennen, ohne jedoch die Energieversorgung an der Niedervolt-Schnittstelle zu unterbrechen.According to a further aspect, the high-voltage storage strings and the high-voltage/low-voltage direct current converter(s) are arranged in a common housing. The energy store has safety isolating elements that can be activated. The safety isolating elements are set up to separate the high-voltage interface from the high-voltage storage strands in the event of a defined event, but without interrupting the energy supply at the low-voltage interface.
Bei den Sicherheitstrennelementen kann es sich beispielsweise um Pyro-Switches (Pyrofuses) und/oder Sicherungen handeln. Die Sicherheitstrennelemente können eingerichtet und in der elektrischen Schaltung angeordnet sein, um bei einem definierten Ereignis die Hochvolt-Schnittstelle von den Hochvolt-Spannungsquellen zu trennen, ohne die Energieversorgung des Niedervolt-Bordnetzes zu unterbrechen.The safety isolating elements can be, for example, pyro switches (pyrofuses) and/or fuses. The safety isolating elements can be set up and arranged in the electrical circuit in order to separate the high-voltage interface from the high-voltage voltage sources in the event of a defined event, without interrupting the power supply to the low-voltage vehicle electrical system.
In anderen Worten, können im Falle eines Unfalls alle Hochvolt-Anschlüsse des Energiespeichers von den Sicherheitstrennelementen spannungs- und stromlos geschaltet werden, während die Spannungsversorgung des Niedervolt-Bordnetzes aufrechterhalten wird. Dieser Aspekt ermöglicht die Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes aus dem Energiespeicher, auch wenn die Hochvolt-Versorgung aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden musste.In other words, in the event of an accident, all high-voltage connections of the energy store can be switched off and currentless by the safety isolating elements, while the voltage supply to the low-voltage vehicle electrical system is maintained. This aspect enables the low-voltage vehicle electrical system to be supplied from the energy store, even if the high-voltage supply had to be switched off for safety reasons.
Wenn es sich bei den Sicherheitstrennelementen um irreversible Trennelemente wie z.B. Pyrofuses handelt, können die Sicherheitstrennelemente optional zusätzlich mit einem schaltbaren Trennelement in Reihe geschaltet sein oder dieses integriert haben. Auf diese Weise können die Hochvolt-Schnittstellen für Wartung bzw. Service reversibel stromlos geschaltet werden.If the safety separators are irreversible separators such as Pyrofuses are, the safety isolating elements can optionally be additionally connected in series with a switchable isolating element or have this integrated. In this way, the high-voltage interfaces can be reversibly de-energized for maintenance or service.
Bevorzugt weist der Energiespeicher schaltbare Trennelemente auf, welche eingerichtet sind, um die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler von den Speichersträngen selektiv zu trennen.The energy storage device preferably has switchable isolating elements which are set up to selectively isolate the high-voltage/low-voltage DC/DC converters from the storage strings.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Energiespeicher schaltbare Trennelemente, welche eingerichtet sind, um die Niedervolt-Schnittstellen selektiv stromlos zu schalten.In an advantageous embodiment, the energy store comprises switchable isolating elements which are set up to selectively switch off the low-voltage interfaces.
Die vorstehenden Aspekte ermöglichen eine granulare Steuerung der Strompfade. Auf diese Weise können Stromflüsse um defekte Bauelemente herumgeleitet, Kurzschlüsse elektrisch isoliert und die Energieversorgung besonders relevanter Verbraucher priorisiert werden.The above aspects allow for granular control of current paths. In this way, current flows can be diverted around defective components, short circuits can be electrically isolated and the energy supply of particularly relevant consumers can be prioritized.
Bereitgestellt wird weiterhin ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher. Das Fahrzeug kann neben dem Energiespeicher ein Hochvolt-Bordnetz und ein Niedervolt-Bordnetz aufweisen, wobei das Hochvolt-Bordnetz und das Niedervolt-Bordnetz jeweils von dem erfindungsgemäßen Energiespeicher gespeist wird.An electrically drivable vehicle with an energy store according to the invention is also provided. In addition to the energy storage device, the vehicle can have a high-voltage vehicle electrical system and a low-voltage vehicle electrical system, with the high-voltage vehicle electrical system and the low-voltage vehicle electrical system each being fed by the energy storage device according to the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigen:
- -
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energiespeichers mit zwei Hochvolt-Speichersträngen, - -
2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energiespeichers mit drei Hochvolt-Speichersträngen, und - -
3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energiespeichers mit vier Hochvolt-Speichersträngen.
- -
1 a simplified schematic representation of an energy storage device with two high-voltage storage strings, - -
2 a simplified schematic representation of an energy store with three high-voltage storage strings, and - -
3 a simplified schematic representation of an energy store with four high-voltage storage strings.
Die einzelnen Komponenten sind in der Regel nach ihrer Funktion bezeichnet und gegebenenfalls zusammengefasst. Elektrische Kopplungen der jeweiligen Komponenten in der elektrischen Schaltung sind über direkte oder indirekte Verbindungen gegeben. Merkmale und Funktionen, die bereits im Zusammenhang mit einer Figur beschrieben wurden, werden im Kontext der weiteren Figuren nur wiederholt, wenn dies zum besseren Verständnis notwendig erscheint.The individual components are usually designated according to their function and, if necessary, grouped together. Electrical couplings of the respective components in the electrical circuit are given via direct or indirect connections. Features and functions that have already been described in connection with a figure are only repeated in the context of the other figures if this appears necessary for better understanding.
In
Der Energiespeicher 1 umfasst eine Hochvolt-Schnittstelle 61 zur Energieversorgung eines Hochvolt-Bordnetzes und zwei Niedervolt-Schnittstellen 62, 63 zur Energieversorgung (jeweils) eines Niedervolt-Bordnetzes. Natürlich können in anderen Ausführungsvarianten auch mehr (oder weniger) als zwei Niedervolt-Schnittstellen versorgt werden. Die Hochvolt-Schnittstelle 61 ist mit den Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 gekoppelt.The
Der Energiespeicher 1 weist weiterhin einen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 auf. Der Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 wird aus einem der ersten Teilspeicherstränge 11, 21 gespeist. Die Niedervolt-Schnittstelle 62 ist mit dem Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 gekoppelt.The
Die zweiten Teilspeicherstränge 12, 22 umfassen jeweils ein mit der Hochvolt-Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltetes schaltbares Trennelement 15, 25. Bei dem Trennelement 15, 25 handelt es sich um einen Schließer, welcher stromlos geöffnet bzw. bei einem Halbleiterschalter ohne Ansteuerung hochohmig ist. Alternativ kann das Trennelement auch ein Öffner sein. Zur Reduzierung der elektrischen Bauteile kann alternativ eines der Trennelemente 14, 15, 24, 25 entweder im ersten Teilspeicherstrang 11, 21 oder im zweiten Teilspeicherstrang 12, 22 entfallen.The second
Die Trennelemente 14, 24, 15, 25 in den ersten und zweiten Teilspeichersträngen 11, 21, 12, 22 können bevorzugt so angeordnet sein, dass beidseitig der Hochvolt-Spannungsquellen jeweils ein Trennelement 14, 24, 15, 25 liegt. In anderen Worten folgt in den jeweiligen Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 in einer Reihenschaltung auf ein erstes Trennelement 14, 24 die Hochvolt-Gleichspannungsquelle des ersten Teilspeicherstranges 11, 21. Auf den ersten Teilspeicherstrang 11, 21 folgt, zwischen dem ersten Teilspeicherstrang 11, 21 und dem zweiten Teilspeicherstrang 12, 22 liegend, der Mittelabgriff 13, 23. Auf den Mittelabgriff 13, 23 folgt, in Reihe geschaltet, die Hochvolt-Gleichspannungsquelle des zweiten Teilspeicherstranges 12, 22. Zuletzt folgen die Trennelemente 15, 25 in den zweiten Teilspeichersträngen 12, 22. Die zumindest zwei Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 sind parallelgeschaltet, also vor den Trennelementen 14, 24 der ersten Teilspeicherstränge 11, 21 und nach den Trennelementen 15, 25 der zweiten Teilspeicherstränge 12, 22 elektrisch gekoppelt.The separating
Die schaltbaren Trennelemente 14, 24 in den ersten Teilspeichersträngen 11, 21 umfassen jeweils einen Halbleiterschalter 141. Die schaltbaren Trennelemente in den ersten Teilspeichersträngen 14, 24 weisen einen zu dem Halbleiterschalter 141 in Reihe oder parallel geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter 142 auf. Dies ist exemplarisch am Trennelement 14 im ersten Teilspeicherstrang 11 des ersten Hochvolt-Speicherstranges 10 dargestellt, betrifft aber natürlich ebenso die weiteren Trennelemente, auch in den weiteren Teilspeichersträngen und in den anderen Ausführungsvarianten.The
In der gezeigten Ausführungsform weist der Energiespeicher 1 einen zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 auf. Der zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 wird aus einem der ersten Teilspeicherstränge 11, 21 gespeist, kann alternativ aber auch aus einem der zweiten Teilspeicherstränge 12, 22 mit Energie versorgt werden. Die Niedervolt-Schnittstelle 63 ist mit dem zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 gekoppelt.In the embodiment shown, the
Die Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 und die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 85 angeordnet. Der Energiespeicher 1 weist aktivierbare Sicherheitstrennelemente P1, P2 auf. Die Sicherheitstrennelemente P1, P2 sind eingerichtet, um bei einem definierten Ereignis (etwa einem Unfall, bei einem Kurzschluss oder einem anderen Fehler) die Hochvolt-Schnittstelle 61 von den Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 zu trennen, ohne die Energieversorgung an der den Niedervolt-Schnittstellen 62, 63 zu unterbrechen. Wenn es sich bei den Sicherheitstrennelementen um irreversible Trennelemente wie z.B. Pyrofuses handelt, können die Sicherheitstrennelemente optional zusätzlich mit einem schaltbaren Trennelement in Reihe geschaltet sein oder dieses integriert haben.The high-voltage storage strings 10, 20 and the high-voltage/low-voltage direct-
Der Energiespeicher 1 umfasst schaltbare Trennelemente 91, 92, welche eingerichtet sind, um die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 von den Speichersträngen 10, 20 selektiv zu trennen oder zuzuschalten. Auf diese Weise wird beispielsweise ein besonders effizienter Betrieb im Teillastbereich ermöglicht.The
Der Energiespeicher 1 weist schaltbare Trennelemente 91, 92 auf, welche eingerichtet sind, um die Niedervolt-Schnittstellen 62, 63 selektiv stromlos zu schalten, und optional um im Fehlerfall den Nochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler auf der Hochvoltseite von den Hochvolt-Speichersträngen abzutrennen. Die Trennelemente zum Trennen der Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 von den Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 können (je nach Schaltungsausführung) dieselben sein, wie die Trennelemente 91, 92, um die Niedervolt-Schnittstellen selektiv stromlos zu schalten.The
Die Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 sind in einem Batteriegehäuse 81, 82, 83 angeordnet.The high-voltage storage strings 10, 20 are arranged in a
Die Mittelabgriffe 13, 23, 33 sind über die Schaltelemente 51, 52, 53 ringförmig koppelbar. Die ringförmige Kopplung ist auch bei Ausführungsvarianten mit mehr als drei Hochvolt-Speichersträngen möglich und vorteilhaft.The center taps 13, 23, 33 can be coupled in a ring shape via the
Der Energiespeicher 1 weist in der gezeigten Variante nur einen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 am ersten Teilspeicherstrang 11 auf. Er kann allerdings in einer abgewandelten Variante auch einen zweiten und/oder einen weiteren Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 73 aufweisen.In the variant shown, the
Die Schaltelemente 51, 52, 53 umfassen jeweils einen Halbleiterschalter 531. Die Schaltelemente 51, 52, 53 weisen einen zu dem Halbleiterschalter 531 in Reihe geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter 532 auf. Dies ist exemplarisch am Schaltelement 53 zwischen dem dritten und dem ersten Mittelabgriff 33, 31 dargestellt, betrifft aber natürlich ebenso die anderen Schaltelemente, die die Mittelabgriffe koppelbar verbinden, auch in den weiteren Ausführungsvarianten.The switching
Durch öffnen der Trennelemente 14, 15 des ersten und zweiten Teilspeicherstrangs 11, 12 (und bei offenen Schaltelementen 51, 53) kann der erste Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 von den Speichersträngen 10, 20, 30 selektiv getrennt werden. Auf diese Weise wird die Niedervolt-Schnittstelle 62 selektiv stromlos geschaltet. Alternativ können hierfür separate Trennelemente vorgesehen sein.By opening the isolating
Jeweils ein Hochvolt-Speicherstrang 10, 20, 30 ist in einem Batteriegehäuse 81, 82, 83 angeordnet.In each case one high-
In der gezeigten Ausführungsform weist der Energiespeicher 1 einen zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 auf. Der zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 wird aus einem der zweiten Teilspeicherstränge 12, 22, 32, 42 gespeist, kann in einer alternativen Variante aber auch aus einem der ersten Teilspeicherstränge 11, 21, 31, 41 mit Energie versorgt werden. Die Niedervolt-Schnittstelle 63 ist mit dem zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 gekoppelt.In the embodiment shown, the
Der Energiespeicher 1 weist einen weiteren Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 73 auf. Der weitere Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 73 wird, je nach Schaltstellung der Trennelemente 14, 24, 15, 25 aus einem bzw. mehreren der Hochvolt-Speicherstränge 10, 20, 30, 40 gespeist.The
Die schaltbaren Trennelemente 15, 25, 35, 45 in den zweiten Teilspeichersträngen 12, 22, 32, 42 umfassen jeweils einen Halbleiterschalter 151. The
Die schaltbaren Trennelemente in den zweiten Teilspeichersträngen 15, 25, 35, 45 weisen einen zu dem Halbleiterschalter 151 parallel geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter 152 auf. Dies ist exemplarisch am Trennelement 15 im zweiten Teilspeicherstrang 12 des ersten Hochvolt-Speicherstranges 10 dargestellt, betrifft aber natürlich ebenso die weiteren Trennelemente, auch in den weiteren Teilspeichersträngen und den anderen Ausführungsvarianten. Auf diese Weise werden Verluste reduziert. In einer weiteren Ausführungsvariante werden die Halbleiterschalter und die elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter in Reihe geschaltet. Die schaltbaren Trennelemente können als Schließer (stromlos geöffnet bzw. bei Halbleiterschaltern hochohmig ohne Ansteuerung) ausgeführt sein. Jeweils eines der Trennelemente kann ein Sicherheitstrennelement sein. Die genannten Aspekte fördern eine sichere Unterbrechung des Stromflusses.The switchable isolating elements in the second
Durch öffnen der Trennelemente 14, 15, 44, 45 des ersten und zweiten Teilspeicherstrangs 11, 12, 41, 42 (und bei offenen Schaltelementen 51, 53) des ersten und vierten Hochvolt-Speicherstranges 10, 40 können der erste und zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 von den Speichersträngen 10, 20, 30, 40 selektiv getrennt werden. Auf diese Weise können die Niedervolt-Schnittstelle 62, 63 selektiv stromlos geschaltet werden. Alternativ können hierfür separate Trennelemente vorgesehen sein.By opening the isolating
Der Energiespeicher 1 kann optional (hier nicht gezeigte) schaltbare Trennelemente aufweisen, welche eingerichtet sind, um die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 73 von den Speichersträngen 10, 20 selektiv zu trennen.The
Der Energiespeicher 1 weist zudem schaltbare Trennelemente 93 auf, welche eingerichtet sind, um die Niedervolt-Schnittstellen 64 selektiv stromlos zu schalten.The
Jeweils zwei Hochvolt-Speicherstränge 10, 20, bzw. 30, 40 sind in einem Batteriegehäuse 81, 82 angeordnet.Two high-voltage storage strings 10, 20 or 30, 40 are arranged in a
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