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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung und ein Bordnetz für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
- Bordnetze von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen weisen in der Regel zwei oder mehr Bordnetzzweige mit unterschiedlich hohen Nennspannungen, sprich einer Niedervoltspannung, wie z. B. 12 Volt, und einer Hochvoltspannung, wie z. B. 400 Volt oder höher, auf. Dabei geht die Entwicklung in Richtung höherer Hochvoltspannung, wie z. B. von 400 Volt auf 800 Volt.
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Dabei besteht der Bedarf, bereits bestehende Systemkomponenten eines hybridelektrischer/elektrischen Mobilitätssystems mit einer vergleichsweise niedrigen Nennspannung, wie z. B. Batterievorrichtungen mit einer Nennausgangsspannung von 400 Volt, mit weiterentwickelten Systemkomponenten desselben Mobilitätssystems mit einer vergleichsweise höheren Nennspannung, wie z. B. elektrischen Traktionsmaschinen mit einer Nenneingangsspannung von 800 Volt, kostengünstig kompatibel zu gestalten. Im Allgemeinen besteht der Bedarf, Systemkomponenten mit unterschiedlichen Nennspannungen eines hybridelektrischen/elektrischen Mobilitätssystems miteinander kostengünstig kompatibel zu gestalten.
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Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der ein Bordnetz eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, insb. eines Brennstoffzellenfahrzeugs, trotz unterschiedlicher Nennspannungen der Systemkomponenten des Bordnetzes kostengünstig und kompatibel zu unterschiedlichen Bordnetzspannungen gestaltet werden kann.
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Beschreibung der Erfindung:
- Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Batterievorrichtung zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, insb. für ein Bordnetz eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, bereitgestellt.
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Die Batterievorrichtung weist zwei Stromausgangsanschlüsse zum Bereitstellen der Ausgangsspannung auf. Ferner weist die Batterievorrichtung mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Batteriezellengruppen mit jeweils einem Pluspol und jeweils einem Minuspol auf, die eingerichtet sind, jeweils eine Batteriespannung zwischen deren jeweiligen Pluspol und deren jeweiligen Minuspol bereitzustellen. Hierzu weisen die Batteriezellengruppen jeweils mindestens eine Batteriezelle auf, die jeweils zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen ist.
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Die Batterievorrichtung weist ferner mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Schalthalbbrückenschaltungen auf, die zum Betreiben jeweils einer der Batteriezellengruppen eingerichtet ist. Die Schalthalbbrückenschaltungen sind stromeingangsseitig zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen. Ferner weisen die Schalthalbbrückenschaltungen jeweils einen positivspannungsseitigen und einen negativspannungsseitigen, steuerbaren Halbleiterschalter auf, die zueinander seriell zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen sind. Dabei sind Laststromstrecken der beiden Halbleiterschalter der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen über einen Mittelverbindungspunkt der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen miteinander elektrisch verbunden. Die Schalthalbbrückenschaltungen sind ferner stromausgangsseitig jeweils über den jeweiligen Mittelverbindungspunkt und den jeweiligen Minuspol der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen zueinander seriell zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen elektrisch angeschlossen.
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Insb. weisen die Schalthalbbrückenschaltungen jeweils zwei Stromeingangsanschlüsse auf und sind stromeingangsseitig jeweils über die jeweiligen beiden Stromeingangsanschlüsse an dem jeweiligen Pluspol und dem jeweiligen Minuspol der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen. Die beiden Halbleiterschalter der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen sind somit zueinander seriell zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen elektrisch anschlossen und über diese beiden Stromeingangsanschlüsse zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen elektrisch angeschlossen.
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Insb. weisen die Schalthalbbrückenschaltungen ferner jeweils zwei Stromausgangsanschlüsse auf und sind stromausgangsseitig jeweils über die jeweiligen beiden Stromausgangsanschlüsse zueinander seriell an einem Strompfad zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen der Batterievorrichtung elektrisch angeschlossen.
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Die zwei, drei, vier oder mehreren Schalthalbbrückenschaltungen ersetzen dabei einen einzigen, groß dimensionierten Gleichspannungswandler mit einer entsprechend hohen Übersetzungsleistung und somit einer entsprechend hohen Verlustleistung, der sonst erforderlich ist, um die gesamte Ausgangsspannung der ganzen Batterievorrichtung in eine gewünschte Nennspannung umwandeln zu können.
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Dabei sind die Schalthalbbrückenschaltungen dezentral ausgeführt und (idealerweise) jeder der Batteriezellengruppen einzeln zugeordnet. Die Schalthalbbrückenschaltungen sind eingerichtet, Ausgangsspannungen der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen in einer von mehreren Teilausgangsspannungen umzuwandeln, die dann in Summe die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Batterievorrichtung ausbilden.
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Dabei können die Schalthalbbrückenschaltungen dank der (hohen) Anzahl und der dezentralen Ausführung vergleichsweise (wesentlich) kleiner dimensioniert werden und weisen entsprechend eine niedrige Übersetzungsleistung und folglich auch eine niedrige Verlustleistung auf. Dank der dezentralen Ausführung kann die Abwärme der einzelnen Schalthalbbrückenschaltungen, die ohnehin sehr gering ausfällt, direkt und somit effizienter abgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Schalthalbbrückenschaltungen und somit auch die gesamte Batterievorrichtung ohne aufwendige Kühlungssysteme aufgebaut werden können, während bei der Ausführung mit dem einzigen, groß dimensionierten Gleichspannungswandler aufgrund der hohen Verlustleistung ein entsprechend aufwendig ausgestaltetes und somit kostenintensives Kühlungssystem erforderlich ist.
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Die klein dimensionierten Schalthalbbrückenschaltungen können zudem unabhängig voneinander in einen Ab- und/oder Aufwärtswandlungsbetrieb (auf Englisch „Buck-/Boost-operation“) ausgeführt werden und somit die erforderlichen Spannungen auf beiden Seiten der Schalthalbbrückenschaltungen, sprich auf Seiten der Stromquelle und der Stromsenke, erstellen.
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Darüber hinaus können die Schalthalbbrückenschaltungen mit jeweils einem positivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen, steuerbaren Halbleiterschalter und somit in Form von allgemein bekannten Halbbrücken einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Dadurch kann eine Spannungsumwandlung zwischen bereits bestehenden Systemkomponenten, wie den Batteriezellengruppen, und neuen weiterentwickelten Systemkomponenten hybridelektrischer/elektrischer Mobilitätssysteme mit unterschiedlichen Nennspannungen kostengünstig und zudem auch effizienter gestaltet werden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der ein Bordnetz eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, insb. eines Brennstoffzellenfahrzeugs, trotz unterschiedlicher Nennspannungen bei Systemkomponenten des Bordnetzes kostengünstig kompatibel zu unterschiedlichen Bordnetzspannungen gestaltet werden kann.
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Darüber hinaus ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der die Schalthalbbrückenschaltungen ohne zusätzliche Schaltungskomponenten Zellspannungen der Batteriezellengruppen ausgleichen können (auf Englisch „Battery Balancing“).
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Zudem können die Batteriezellengruppen der Batterievorrichtung voneinander unabhängig einzeln gesteuert betrieben werden, was zu mehr Schutz für die Batteriezellen und erhöhte Zuverlässigkeit der gesamten Batterievorrichtung führt.
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Außerdem können die Batteriezellengruppen durch eine entsprechend geringfügig erhöhte Anzahl redundant ausgeführt werden. Dadurch kann die Batterievorrichtung insgesamt zuverlässiger ausgeführt werden, da eine oder andere defekten Batteriezellengruppen mit einer entsprechenden Ansteuerung der zugeordneten Schalthalbbrückenschaltungen durch redundante einwandfreie Batteriezellengruppen ersetzt werden können, ohne dabei die defekten Batteriezellengruppen der Batterievorrichtung manuell (bspw. in einem Werkstatt) durch neue ersetzt werden müssen.
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Die Verlustleistungen, die bei allen der klein dimensionierten Schalthalbbrückenschaltungen entstehen, sind in Summe niedriger als die eines einzigen entsprechend groß dimensionierten Gleichspannungswandlers. Darüber hinaus können die Verlustleistungen wie bereits erwähnt schneller und somit effizienter abgeführt werden.
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Bspw. sind die Schalthalbbrückenschaltungen jeweils zwischen einem Spannungswandlungsmodus und einem Überbrückungsmodus umschaltbar ausgeführt. Dabei sind die Schalthalbbrückenschaltungen eingerichtet, in dem Spannungswandlungsmodus die Schalthalbbrückenschaltungen (von einer internen Steuereinheit oder einer übergeordneten Steueranordnung der Batterievorrichtung angesteuert) die jeweiligen beiden Halbleiterschalter getaktet abwechselnd ein-/auszuschalten, und somit die Batteriespannungen der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen jeweils in eine Zwischenspannung umwandeln. Die Zwischenspannungen der (stromausgangsseitig zueinander seriell elektrisch angeschlossenen) Schalthalbbrückenschaltungen bilden dabei zusammen die Ausgangsspannung der Batterievorrichtung aus. Ferner sind die Schalthalbbrückenschaltungen eingerichtet, in dem Überbrückungsmodus (von der internen Steuereinheit oder der übergeordneten Steueranordnung der Batterievorrichtung angesteuert) den jeweiligen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter durchgehend auszuschalten und den jeweiligen korrespondierenden negativspannungsseitigen Halbleiterschalter durchgehend einzuschalten und somit die jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen zu überbrücken.
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Bspw. sind die Schalthalbbrückenschaltungen ferner in einen Durchschaltmodus schaltbar eingerichtet, in dem diese (von der internen Steuereinheit oder der übergeordneten Steueranordnung der Batterievorrichtung angesteuert) den jeweiligen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter durchgehend einzuschalten und den korrespondierenden negativspannungsseitigen Halbleiterschalter durchgehend auszuschalten und somit die jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen (ohne eine Spannungsumwandlung) direkt zu bzw. zwischen den Stromausgangsanschlüssen der Batterievorrichtung (seriell) elektrisch anzuschließen. In diesem Durchschaltmodus führen die Schalthalbbrückenschaltungen keine Spannungsumwandlung durch und stellen die von den jeweiligen Batteriezellengruppen bereitgestellten Batteriespannungen unverändert als die Zwischenspannungen bereit.
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Bspw. weisen die Schalthalbbrückenschaltungen ferner jeweils einen Tiefpassfilter auf, wobei die Tiefpassfilter jeweils stromausgangsseitig zwischen dem Mittelverbindungspunkt der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen und dem Minuspol der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen, und stromausgangsseitig zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen der Batterievorrichtung elektrisch angeschlossen sind. Dabei sind die Tiefpassfilter der Schalthalbbrückenschaltungen stromausgangsseitig zueinander seriell zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen der Batterievorrichtung elektrisch angeschlossen.
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Bspw. weisen die Schalthalbbrückenschaltungen ferner jeweils einen Zwischenkreiskondensator auf, wobei die Zwischenkreiskondensatoren der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen jeweils parallel zu den jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen zwischen deren jeweiligen Pluspol und Minuspol elektrisch angeschlossen sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bordnetz für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs bereitgestellt.
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Das Bordnetz weist mindestens eine zuvor beschriebene Batterievorrichtung und mindestens einen Stromverbraucher, insb. einen Hochvoltstromverbraucher, auf. Dabei ist die Batterievorrichtung über die beiden Stromausgangsanschlüsse an dem Stromverbraucher elektrisch angeschlossen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Batterievorrichtung sind, soweit im Übrigen, auf das oben genannte Bordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
- Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Schaltungstopologie ein Bordnetz oder einen Abschnitt davon mit einer Batterievorrichtung gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung; und
- 2 in einer weiteren schematischen Schaltungstopologie einen Abschnitt der in 1 dargestellten Batterievorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
- 1 zeigt in einer schematischen Schaltungstopologie ein Bordnetz BN für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug. Das Bordnetz BN weist eine
- Hochvolt-Batterievorrichtung BV zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Ua für das Bordnetz BN bzw. für einen oder mehrere Hochvolt-Stromverbraucher SV im Bordnetz BN auf.
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Die Batterievorrichtung BV weist zwei erste Stromausgangsanschlüsse A11, A12 auf und stellt beim Betrieb die Ausgangsspannung Ua bereit, die zwischen diesen beiden ersten Stromausgangsanschlüssen A11, A12 anliegt. Der oder die Hochvolt-Stromverbraucher SV sind zwischen den beiden ersten Stromausgangsanschlüssen A11, A12 der Batterievorrichtung BV elektrisch angeschlossen.
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Die Batterievorrichtung BV weist ferner vier (oder mehr) Batteriezellengruppen BG, die jeweils einen Pluspol A21, einen Minuspol A22 und zwei oder mehr Batteriezellen aufweisen. Dabei sind die Batteriezellen der jeweiligen Batteriezellengruppen BG zwischen dem jeweiligen Pluspol A21 und dem jeweiligen Minuspol A22 der jeweiligen Batteriezellengruppen BG (und zueinander seriell, parallel oder seriell und parallel) elektrisch angeschlossen. Bei einem seriellen und zugleich parallelen Anschluss sind die Batteriezellen in Batteriezellenblocks unterteilt, in denen die Batteriezellen zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind und die Batteriezellenblöcke dann zueinander parallel elektrisch angeschlossen sind. Umgekehrt können die Batteriezellen der einzelnen Batterieblöcke zueinander parallel elektrisch angeschlossen sein, wobei in diesem Fall die Batterieblöcke dann zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind.
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Die Batterievorrichtung BV weist die gleiche Anzahl von Schalthalbbrückenschaltungen BS wie die der Batteriezellengruppen BG auf. Jede der Schalthalbbrückenschaltungen BS ist jeweils einer der Batteriezellengruppen BG zugeordnet und bildet somit mit der jeweiligen Batteriezellengruppe BG jeweils eine Batteriezellengruppe-Schalthalbbrückenschaltung-Einheit aus. Dabei ist diese Batteriezellengruppe-Schalthalbbrückenschaltung-Einheit vorzugsweise in einem Batteriezellengehäuse ausgeführt und bildet somit modulare Baueinheit, die je nach der Leistungsanordnung der Batterievorrichtung BV in beliebiger Anzahl (sprich mehr als vier) zu der Batterievorrichtung BV zusammengefügt werden kann. Dadurch ermöglicht die Batteriezellengruppe-Schalthalbbrückenschaltung-Einheit eine flexible Dimensionierung der Batterievorrichtung BV.
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Die Schalthalbbrückenschaltungen BS weisen jeweils einen positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E1, einen negativspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E2, einen positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31, und einen negativspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A32 auf. Stromeingangsseitig sind die Schalthalbbrückenschaltungen BS jeweils über die jeweiligen beiden Stromeingangsanschlüsse E1, E2 an dem jeweiligen Pluspol A21 und dem jeweiligen Minuspol A22 der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG elektrisch angeschlossen. Stromausgangsseitig sind die Schalthalbbrückenschaltungen BS jeweils über die jeweiligen beiden zweiten Stromausgangsanschlüsse A31, A32 an einem Strompfad SP zwischen den beiden ersten Stromausgangsanschlüssen A11, A12 zueinander seriell elektrisch zuschaltbar elektrisch angeschlossen.
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2 zeigt in einer weiteren schematischen Schaltungstopologie eine der Schalthalbbrückenschaltungen BS der in 1 dargestellten Batterievorrichtung BV.
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Die Schalthalbbrückenschaltung BS weist eine Halbbrücke HB auf, die wiederum einen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 und einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2 aufweist. Dabei sind die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 in dieser Ausführungsform als Metall-Oxid Halbleiter Feldeffekttransistoren (kurz „MOSFET“), insb. als Si-MOSFETs (also als Siliziumhalbleiterschalter), ausgebildet. Die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 bzw. deren beiden Laststromstrecken (Drain-Source-Strecken (D-S)) sind über einen Mittelverbindungspunkt MP der Halbbrücke HB zueinander seriell zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen E1, E2 elektrisch angeschlossen.
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Die Halbbrücke HB ist ferner über den Mittelverbindungspunkt MP an dem positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31 der Schalthalbbrückenschaltung BS elektrisch angeschlossen. Positivspannungsseitig ist die Halbbrücke HB bzw. deren positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 ab dem positivspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E1 und somit an dem Pluspol A21 der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppe BG elektrisch angeschlossen. Negativspannungsseitig ist die Halbbrücke HB bzw. deren negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2 an dem negativspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E2 und somit dem Minuspol A22 der korrespondierenden Batteriezellengruppe BG sowie dem negativspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A32 elektrisch angeschlossen.
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Die Schalthalbbrückenschaltung BS weist stromeingangsseitig zudem einen ersten Kondensator C1 auf, der zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen E1, E2 und somit parallel zu der Halbbrücke HB bzw. deren beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 elektrisch angeschlossen ist.
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Die Schalthalbbrückenschaltung BS weist stromausgangsseitig einen Tiefpassfilter mit einer Spule L und einem zweiten Kondensator C2 auf, der stromeingangsseitig zwischen dem Mittelverbindungspunkt MP und dem negativspannungsseitigen Stromeingangsanschluss E2 elektrisch angeschlossen ist und stromausgangsseitig zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen A31, A32 elektrisch angeschlossen ist. Dabei ist die Spule L in einem Strompfad zwischen dem Mittelverbindungspunkt MP und dem positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31 der Schalthalbbrückenschaltung BS elektrisch angeschlossen. Der zweite Kondensator C2 ist zwischen dem positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31 und dem negativspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A32 und somit parallel zu einem Strompfad elektrisch angeschlossen, in dem die Spule L und der negativspannungsseitige Halbleiterschalter HS2 zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind.
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Die Schalthalbbrückenschaltung BS weist ferner eine Steuerschaltung SA zum Ansteuern der beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 auf, die steuersignalausgangsseitig mit dem Ansteueranschluss bzw. dem Gate-Anschluss der jeweiligen Halbleiterschalter HS1, HS2 signaltechnisch verbunden ist.
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Die Steuerschaltung SA steuert die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 in der nachfolgend zu beschreibenden Weise und schaltet somit die jeweilige Schalthalbbrückenschaltung BS zwischen einem Spannungswandlungsmodus MOD1, einem Überbrückungsmodus MOD2 und einem Durchschaltmodus MOD3 um:
- Im Spannungswandlungsmodus MOD1:
- In diesem Spannungswandlungsmodus MOD1 werden die jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS aktiviert und führen ihre primäre Funktion durch, nämlich eine uni-/bidirektionale Spannungsumwandlung zwischen der Batteriespannung Ub der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG und einer Wandlerausgangsspannung bzw. einer Zwischenspannung Uz der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS und laden bzw. entladen somit die jeweiligen Batteriezellengruppen BG (Lade-/Entlademodus). Die Zwischenspannungen Uz aller aktivierten Schalthalbbrückenschaltungen BS bilden in Summe die Ausgangsspannung Ua der gesamten Batterievorrichtung BV aus.
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA die beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS mittels pulsweitenmodulierten Steuersignalen in einer dem Fachmann bekannten Weise getaktet abwechselnd ein und aus, so dass die Halbbrücke HB der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS zwischen der Batteriespannung Ub der jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG und der Zwischenspannung Uz der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS umwandelt.
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In diesem Spannungswandlungsmodus MOD1 arbeiten die Schalthalbbrückenschaltungen BS als Abwärtswandler (auf Englisch „Buck-Converter“), in dem diese die jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG entladen, oder als Aufwärtswandler (auf Englisch „Boost-Converter“), in dem diese die jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG aufladen.
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Die Zwischenspannungen Uz aller in dem Spannungswandlungsmodus MOD1 als Abwärtswandler und in dem nachfolgend zu beschreibenden Durchschaltmodus MOD3 betriebenen Schalthalbbrückenschaltungen BS bilden zusammen die Ausgangsspannung Ua der Batterievorrichtung BV aus.
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In diesem Spannungswandlungsmodus MOD1 kann auch ein Ladungsausgleich der betroffenen Batteriezellengruppen BG mit den benachbarten Batteriezellengruppen BG durch eine entsprechende Ansteuerung der zugehörigen Schalthalbbrückenschaltungen BS bzw. deren Halbleiterschalter HS1, HS2 erfolgen.
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Im Überbrückungsmodus MOD2:
- In diesem Überbrückungsmodus MOD2 werden die jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS überbrückt. Dadurch trennen die Schalthalbbrückenschaltungen BS in diesem Überbrückungsmodus MOD2 die jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG von dem Strompfad SP der Batterievorrichtung BV und somit von dem Bordnetz BN elektrisch, wobei kein Strom von den entsprechenden überbrückten Batteriezellengruppen BG in das Bordnetz BN und umgekehrt fließen kann.
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS durchgehend aus (öffnen) und den korrespondierenden negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2 der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS durchgehend ein (schließen). Dadurch werden die jeweiligen korrespondierenden Batteriezellengruppen BG von den Stromausgangsanschlüssen A31, A32 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS und somit von dem Strompfad SP der Batterievorrichtung BV elektrisch getrennt. Die beiden Stromausgangsanschlüssen A31, A32 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS werden über die Spule L (die nun als Leiter wirkt) und den geschlossenen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS miteinander quasi elektrisch kurzgeschlossen.
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Ist die Batterievorrichtung BV mit redundanten Batteriezellengruppen BG ausgestattet, so können diese redundanten Batteriezellengruppen BG durch Überbrücken der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS in den Überbrückungsmodus MOD2 geschaltet werden und somit vorerst von dem Bordnetz BN elektrisch getrennt werden. Als Reserve werden diese Batteriezellengruppen BG erst bei Bedarf durch Schalten der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS in den Spannungswandlungsmodus MOD1 oder den nachfolgend zu beschreibenden Durchschaltmodus MOD3 in das Bordnetz BN dazugeschaltet. Durch das Zuschalten der redundanten Batteriezellengruppen BG können bei Bedarf die gesamte Ausgangsspannung Ua der Batterievorrichtung BV erhöht werden.
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Alternativ können defekte Batteriezellengruppen BG durch die redundanten Batteriezellengruppen BG ersetzt werden, ohne dass diese von der Batterievorrichtung BV räumlich entfernt werden müssen. In diesem Fall können die defekten Batteriezellengruppen BG durch Überbrücken der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS in dem Überbrückungsmodus MOD2 von dem Bordnetz BN elektrisch getrennt werden.
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Im Durchschaltmodus MOD3:
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In diesem Durchschaltmodus MOD3 werden die jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS einfach durchgeschaltet und verbinden somit die jeweiligen zugeordneten Batteriezellengruppen BG ohne eine Spannungsumwandlung direkt mit dem Bordnetz BN elektrisch. In diesem Durchschaltmodus MOD3 bilden die Batteriespannungen Ub der entsprechenden Batteriezellengruppen BG direkt Teil der Ausgangsspannung Ua der gesamten Batterievorrichtung BV.
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Hierzu schaltet die Steuerschaltung SA den positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS durchgehend ein (schließen) und den korrespondierenden negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS2 der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS durchgehend aus (öffnen). Dadurch wird der Pluspol A21 der entsprechenden Batteriezellengruppen BG über den geschlossenen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 und die Spule L (die nun als Leiter wirkt) mit dem positivspannungsseitigen Stromausgangsanschluss A31 der jeweiligen Schalthalbbrückenschaltungen BS elektrisch verbunden.
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In diesem Durchschaltmodus MOD3 kann ein Ladungsausgleich der betroffenen Batteriezellengruppen BG mit den benachbarten Batteriezellengruppen BG ohne Zuschalten der zugehörigen Schalthalbbrückenschaltungen BS erfolgen.
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Der Ladungsausgleich der einzelnen Batteriezellengruppen BG kann durch einfaches Schalten der beiden Halbleiterschalter HS1, HS2 der jeweiligen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS in den Spannungswandlungsmodus MOD1 oder in den Durchschaltmodus MOD3 effizienter gestaltet werden. Damit kann der Ladungsausgleich ohne zusätzliche passive oder aktive Schaltungskomponenten erfolgen. Dies reduziert zusätzlich die Herstellungskosten der Batterievorrichtung BV.
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Mit der oben beschriebenen Lösung kann die Ausgangsspannung Ua in einem insgesamt größeren Spannungsbereich breitgestellt werden. Dies erhöht die Gesamtsystemeffizienz der Batterievorrichtung BV zusätzlich.
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Darüber hinaus können für die einzelnen Batteriezellengruppen BG Batteriezellen unterschiedlicher Typen, unterschiedlicher Dimensionierungen sowie unterschiedlicher Zellspannungen verwendet werden. Dadurch kann die Batterievorrichtung BV mit wenigen Einschränkungen und somit noch kostengünstiger hergestellt werden.
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Die Batterievorrichtung BV kann durch entsprechende Auswahl der Betriebsmodi, sprich des Spannungswandlungsmodus MOD1, des Überbrückungsmodus MOD2 oder des Durchschaltmodus MOD3, der einzelnen korrespondierenden Schalthalbbrückenschaltungen BS mit unterschiedlichen Ladespannungen, wie z. B. von 400 Volt oder von 800 Volt, aufgeladen werden.
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Die Batterievorrichtung BV kann direkt von einer Leistungsfaktorkorrekturfilterstufe (auf Englisch „Power Factor Correction Stage“) und ohne Zwischenschalten eines Gleichspannungswandlers eines On-Board-Ladegeräts aufgeladen werden. Dies führt zu einer erheblichen Kosteneinsparung und einer erheblichen Effizienzsteigerung beim Aufladen der Batterievorrichtung BV.
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Die Batterievorrichtung BV kann in nahezu allen Typen von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, einschließlich Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Batterievorrichtung BV in anderen batteriebetriebenen elektrischen Systemen, wie z. B. batteriebetriebenen Elektrowerkzeugen, verwendet werden.
