DE102020006351A1

DE102020006351A1 - Hochvoltbatterieanordnung eines Kraftfahrzeugs, sowie Verfahren zum Betrieb der Hochvoltbatterieanordnung

Info

Publication number: DE102020006351A1
Application number: DE102020006351.9A
Authority: DE
Inventors: Frieder Herb; Detlev Penczek; Andreas Maier
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterieanordnung (12) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriegehäuse (1), eine Hochvoltbatterie (6) und ein Batteriemanagementsystem (4), eine Niedervolt-Solareinrichtung (2) und einen Gleichspannungswandler (3), welcher mit der Niedervolt-Solareinrichtung (2) und der Hochvoltbatterie (6) verbunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (3) in das Batteriegehäuse (1) integriert ist. Das Batteriemanagementsystem (4) wird nur für einen möglichst geringen Zeitraum in bestimmten Abständen von einem Signal des Gleichspannungswandlers (3) zyklisch geweckt, wodurch die Sonnenenergie effizient zum Laden der Hochvoltbatterie (6) genutzt wird und nicht durch zusätzliche Aktivierung von Steuergeräten verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterieanordnung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Hochvoltbatterieanordnung eines Kraftfahrzeugs.
Aus der DE 10 2014 203 505 A1 ist bereits das periodische Aktivieren eines Batteriemanagementsystems zur Speicherung von Daten in zeitlichen Abständen bekannt. Das Batteriemanagementsystem erfasst mindestens einen Parameter der Hochvoltbatterie und speichert diesen mittels einer Datenspeichervorrichtung. Der mindestens eine Parameter kann ein Parameter aus der Gruppe sein, die eine Temperatur, eine Spannung und einen Ladezustand der Batterie oder einzelner Batteriezellen umfasst. Die Speicherung erflogt insbesondere bei einem Batterietransport oder während einer Batterielagerung. Die in der Datenspeichervorrichtung gespeicherten Daten können mittels einer Datenschnittstelle an eine externe Vorrichtung übermittelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochvoltbatterieanordnung sowie ein Verfahren für einen Betrieb der Hochvoltbatterieanordnung zu entwickeln, welche ein effizientes Laden einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs durch eine Solareinrichtung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Hochvoltbatterieanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterieanordnung eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriegehäuse, eine Hochvoltbatterie und ein Batteriemanagementsystem, eine Niedervolt-Solareinrichtung und einen Gleichspannungswandler, welcher mit der Niedervolt-Solareinrichtung und der Hochvoltbatterie verbunden ist, wobei der Gleichspannungswandler in das Batteriegehäuse integriert ist.
Erfindungsgemäß ist ein Gleichspannungswandler (DCDC-Wandler) über eine erste Signalverbindung direkt mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) verbunden. Als Signalverbindung soll im Rahmen der Erfindung eine elektrisch leitfähige Verbindung, wie insbesondere eine Leitung oder ein stromführendes Kabel, verstanden werden. Vorteilhaft ist mit dem Gleichspannungswandler über das Batteriemanagementsystem ein Betrieb der Hochvoltbatterie direkt steuerbar.
Durch die Integration des Gleichspannungswandlers in das Batteriegehäuse der Hochvoltbatterie kann vorteilhaft eine Hochvolt-Überwachung der Stromverbindungen zu der Niedervolt-Solareinrichtung vermieden. Eine Spannung, welche außerhalb des Batteriegehäuses zwischen der Niedervolt-Solareinrichtung und dem Gleichspannungswandler anliegt, liegt unter 60 Volt, so dass vorteilhaft die Niedervolt-Solareinrichtung und deren Verbindungen zum Batteriegehäuse nicht Hochvoltsicherheitsrelevant sind.
Gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Hochvoltbatterie in einen ersten und einen zweiten Teilkreis eingebunden, wobei der erste Teilkreis lediglich eine Niedervolt-Solareinrichtung als Energiequelle und/oder Energiesenke aufweist und der zweite Teilkreis mindestens als Energiequelle und/oder Energiesenke eine Elektromaschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs. Vorteilhaft ist mit dieser Ausgestaltung der Erfindung ein von einem Betrieb weiterer Energiequellen und/oder Energiesenken des Kraftfahrzeugs unabhängiger Betrieb der Niedervolt-Solareinrichtung darstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in dem ersten Teilkreis ein Hochvoltrelais vorgesehen, welches über eine zweite Signalverbindung direkt mit dem Batteriemanagementsystem verbunden ist. Unter dem Hochvoltrelais soll im Rahmen der Erfindung eine elektrische Schalteinheit verstanden werden, welche zwischen einer Offenstellung, und einer Geschlossenstellung hin und her schaltbar ist. Unter einer Offenstellung soll im Rahmen der Erfindung eine Stellung des Hochvoltrelais verstanden werden, in welcher ein Stromfluss in dem ersten Teilkreis und damit ein Laden der Hochvoltbatterie durch Energie aus der Solareinrichtung möglich ist.
Durch die zweite Signalverbindung ist das Hochvoltrelais vorteilhaft direkt über ein elektrisches Signal vom Batteriemanagementsystem schaltbar und somit steuerbar.
In einem Verfahren für einen Betrieb der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterieanordnung und deren Ausgestaltungen werden in einem Stillstand des Kraftfahrzeugs zyklisch Aufwecksignale über die erste Signalverbindung von dem Gleichspannungswandler an das Batteriemanagementsystem gesendet. Unter zyklisch gesendeten Aufwecksignalen sollen im Rahmen der Erfindung in regelmäßigen Zeitabständen gesendete Signale verstanden werden. Unter einem Aufwecksignal soll im Rahmen der Erfindung ein Signal verstanden werden, welches bewirkt, dass das Batteriemanagementsystem von einem energiesparenden Ruhemodus in den Normalbetrieb geschaltet wird. Durch das zyklische Senden von Aufwecksignalen an das Batteriemanagementsystem über die erfindungsgemäße direkte erste Signalverbindung ist es möglich, das Batteriemanagementsystem in einem Stillstand des Kraftfahrzeugs in einen energiesparenden Ruhemodus zu schalten und das Batteriemanagementsystem erst durch das Senden eines Aufwecksignals aus dem Ruhemodus in den Normalbetrieb zu schalten und so aufzuwecken, wodurch vorteilhaft Energie einsparbar ist. Durch die erfindungsgemäße Hochvoltbatterieanordnung mit der direkten ersten Signalverbindung müssen in einem Stillstand des Kraftfahrzeugs zusätzlich zu dem Aufwecken des Batteriemanagementsystems keine weiteren Steuergeräte geweckt werden. Da mit einem Aufwecken eines Steuergeräts Energieverluste verbunden sind, werden vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Verfahren nur sehr viel geringere Energieverluste verursacht, die durch das Aufwecken des nur einen einzigen Steuergeräts, und zwar des Batteriemanagementsystems, verursacht werden. Aktuelle Kraftfahrzeuge mit Solareinrichtungen weisen das Problem auf, dass im Falle vorliegender Sonneneinstrahlung und Nutzung dieser durch die Solareinrichtung für das Laden der Hochvoltbatterie, zusätzlich Hauptsteuergeräte des Kraftfahrzeugs aktiviert werden und so eine Verlustleistung von in etwa 200 Watt verursacht werden, was im Vergleich zu einem typischen Leistungsbereich einer Solareinrichtung von in etwa 350 Watt einen erheblichen Leistungsanteil darstellt und einen erheblichen Wirkungsgradverlust bei der Nutzung einer Solareinrichtung im Stillstand des Kraftfahrzeugs mit sich bringt.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Batteriemanagementsystem von dem Gleichspannungswandler in etwa alle 2 Minuten aufgeweckt. Unter in etwa alle 2 Minuten soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass das Batteriemanagementsystem nicht häufiger als in etwa jede Minute mindestens jedoch alle in etwa 4 Minuten geweckt wird.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Batteriemanagementsystem nach dem Aufwecken eine Überprüfungsroutine für einen Ladezustand der Hochvoltbatterie gestartet. Vorteilhaft ist mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Betriebsstrategie der Hochvoltbatterieanordnung in Abhängigkeit von einem Ladezustand der Hochvoltbatterie darstellbar.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sendet das Batteriemanagementsystem dann, wenn der, insbesondere der aktuell festgestellte, Ladezustand der Hochvoltbatterie, auch SOC-Wert oder State-Of-Charge-Wert der Hochvoltbatterie, geringer als ein festgelegter Grenzwert ist, über die zweite Signalverbindung ein Schaltsignal an das Hochvoltrelais aus, und das Hochvoltrelais wird, insbesondere von einer Geschlossenstellung, in eine Offenstellung geschaltet. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann eine Überladung der Hochvoltbatterie mit größeren Energiemengen oder eine Ladung der Hochvoltbatterie in für die Hochvoltbatterie ungünstig hohen SOC-Bereichen vermieden werden, womit vorteilhaft eine Schädigung der Hochvoltbatterie reduzierbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft lediglich nur zu sehr geringen Überladungen der Hochvoltbatterie kommen, und zwar solchen, die in einem Zeitraum zwischen zwei Aufwecksignalen ablaufen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Hierbei zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Hochvoltbatterieanordnung mit einer Solareinrichtung

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochvoltbatterieanordnung 12 mit einer Niedervolt-Solareinrichtung 2 und einer Hochvoltbatterie 6. Die Hochvoltbatterieanordnung 12 ist eine Hochvoltbatterieanordnung eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs. Mit der Niedervolt-Solareinrichtung 2 ist Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umwandelbar. Die Solareinrichtung 2 ist über den ersten Teilkreis 14, in welchem nur die Solareinrichtung 2 als Energiequelle vorgesehen ist, mit der Hochvoltbatterie 6 verbunden. Über eine Niedervoltleitung 7 wird die elektrische Energie aus der Niedervolt-Solareinrichtung 2 an einen Gleichspannungswandler 3 geleitet, welcher im inneren eines Batteriegehäuses 1 angeordnet ist und für eine Spannungswandlung von einem Niedervoltspannung der Solareinrichtung 2 von unter 60 Volt auf eine Hochvoltspannung der Hochvoltbatterie 6 von mindestens in etwa 400 Volt vorgesehen ist. Dadurch, dass der Gleichspannungswandler 3 im Batteriegehäuse 1 angeordnet ist, fließt im ersten Teilkreis 14 außerhalb des Batteriegehäuses 1 lediglich Niedervoltstrom, wodurch vorteilhaft geringere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen, was insbesondere kostensparend ist. Im ersten Teilkreis 14 ist der Gleichspannungswandler 3 weiter über ein Hochvoltrelais 9 und über Hochvoltleitungen 8 mit der Hochvoltbatterie 6 verbunden. Es ist eine erste Signalverbindung 5 zwischen dem Gleichspannungswandler 3 und einem Batteriemanagementsystem 4 der Hochvoltbatterie 6 vorgesehen. Eine zweite Signalverbindung 11 verbindet das Hochvoltrelais 9 mit dem Batteriemanagementsystem 4. Über den zweiten Teilkreis 15 sind zumindest das Antriebssystem 13 des Kraftfahrzeugs mit der Elektromaschine 16 mit der Hochvoltbatterie 6 über Hochvoltleitungen 8 und ein Hauptrelais 10 verbunden. Der Teilkreis 15 ist der Hauptstromkreis der Hochvoltbatterieanordnung 12 und/oder des Kraftfahrzeugs. Weitere Energieverbraucher und oder Energiequellen der Hochvoltbatterieanordnung 12, welche nicht in der 1 dargestellt sind, sind über den Teilkreis 15 mit der Hochvoltbatterie verbunden.
In einem Betriebsverfahren für die Hochvoltbatterieanordnung 12 sendet der Gleichspannungswandler 3 über die Signalleitung 5 ein zyklisches Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem 4, welches in einem nächsten Schritt nach dem Aufwecken mithilfe mindestens eines Parameters insbesondere einen Ladezustand der Hochvoltbatterie 6 überwacht. Dieser mindestens eine Parameter ist vor allem eine maximale und eine minimale Spannung der Batteriezellen der Hochvoltbatterie 6, sowie die aktuelle Temperatur der Batteriezellen. Der Parameter wird im Batteriemanagementsystem 4 verarbeitet und je nach Auswertung wird das Hochvoltrelais 9 in eine Offen-Stellung oder eine Geschlossen-Stellung geschaltet. In der Offenen-Stellung kann die von der Solareinrichtung 2 umgewandelte Sonnenenergie in Form von elektrischer Energie durch die Hochvoltleitungen 8 in die Hochvoltbatterie 6 fließen. Das Hochvoltrelais 9 kann unter anderem in die Geschlossen -Stellung geschaltet werden, wenn das Batteriemanagement 4 erkennt, dass die Batteriezellen der Hochvoltbatterie 6 beispielsweise eine bestimmte Grenzspannung erreicht haben. Durch das Schalten des Hochvoltrelais 9 in die Geschlossen-Stellung kann keine elektrische Energie mehr von der Solareinrichtung in die Hochvoltbatterie 6 fließen. Durch die Aufwecksignale, welche zyklisch, insbesondere in bestimmten zeitlichen Abständen wiederholt gesendet werden, wird das Batteriemanagementsystem 4 für einen geringen Zeitraum aktiviert, in welchem der mindestens eine Parameter abgefragt, verarbeitet wird und eventuell das Hochvoltrelais 9 in eine Offen-Stellung geschaltet wird. Danach schaltet sich das Batteriemanagementsystem 4 wieder ab bis das nächste Aufwecksignal gesendet wird. Durch das Betriebsverfahren wird nur eine minimale elektrische Energie zum Betreiben des Batteriemanagementsystems 4 benötigt, wodurch ein Großteil der elektrischen Energie der Solareinrichtung 2 zum Aufladen der Hochvoltbatterie 6 nutzbar ist, wodurch diese effizienter aufladbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Batteriegehäuse
2: Niedervolt-Solareinrichtung
3: Gleichspannungswandler
4: Batteriemanagementsystem
5: erste Signalverbindung
6: Hochvoltbatterie
7: Niedrigvoltleitung
8: Hochvoltleitung
9: Hochvoltrelais
10: Hauptrelais
11: zweite Signalverbindung
12: Hochvoltbatterieanordnung
13: Antriebssystem
14: erster Teilkreis
15: zweiter Teilkreis
16: Elektromaschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203505 A1 [0002]

Claims

Hochvoltbatterieanordnung (12) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriegehäuse (1), eine Hochvoltbatterie (6) und ein Batteriemanagementsystem (4), eine Niedervolt-Solareinrichtung (2) und einen Gleichspannungswandler (3), welcher mit der Niedervolt-Solareinrichtung (2) und der Hochvoltbatterie (6) verbunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (3) in das Batteriegehäuse (1) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (3) über eine erste Signalverbindung (5) direkt mit dem Batteriemanagementsystem (4) verbunden ist.
Hochvoltbatterieanordnung (12) eines Kraftfahrzeugs, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (6) in einen ersten und einen zweiten Teilkreis (14, 15) eingebunden ist, wobei der erste Teilkreis (14) lediglich die Niedervolt-Solareinrichtung (2) als Energiequelle/ Energiesenke und der zweite Teilkreis (15) mindestens als Energiequelle/Energiesenke eine Elektromaschine (16) eines Antriebssystems (13) des Kraftfahrzeugs aufweist.
Hochvoltbatterieanordnung (12) eines Kraftfahrzeugs, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Teilkreis (14) ein Hochvoltrelais (9) vorgesehen ist, welches über eine zweite Signalverbindung (11) direkt mit dem Batteriemanagementsystems (4) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb der Hochvoltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Stillstand des Kraftfahrzeugs der Gleichspannungswandler (3) über die erste Signalverbindung (5) zyklisch jeweils ein Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem (4) sendet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (3) in etwa alle 2 Minuten ein Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem (4) sendet.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Batteriemanagementsystem (4) nach dem Empfangen eines Aufwecksignals eine Überprüfungsroutine für einen Ladezustand der Hochvoltbatterie (6) gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (4) dann, wenn der Ladezustand geringer als ein festgelegter Grenzwert ist, über die zweite Signalverbindung (11) ein Schaltsignal an das Hochvoltrelais (9) sendet und das Hochvoltrelais (9) in eine Offenstellung schaltet.