-
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltversorgungseinheit insbesondere für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge (Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge) bestehend aus mehreren Hochvoltversorgungsmodulen, die ihrerseits aus einer Vielzahl von Energiebereitstellungszellen aufgebaut sind. Im Folgenden werden die Begriffe Hochvoltversorgungsmodul und Energiebereitstellungszelle auch vereinfachend mit den Begriffen Modul und Zelle abgekürzt.
-
Eine derartige Hochvoltversorgungseinheit ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 225 404 A1 der Anmelderin bekannt.
-
Heutzutage kommen zunehmend Fahrzeuge mit einem elektrischen Antriebssystem auf den Markt. Hierbei kann es sich um ein Hybridfahrzeug oder um ein Elektrofahrzeug handeln. Hybrid- oder Elektrofahrzeuge weisen eine elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf, die aus einer Hochvoltversorgungseinheit mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei einem Hybridfahrzeug wird neben der elektrischen Maschine ein weiteres Aggregat für den Antrieb eingesetzt, in der Regel ein Verbrennungsmotor. Wohingegen ein Elektrofahrzeug ausschließlich durch eine elektrische Maschine angetrieben wird. Die zum Einsatz kommenden elektrischen Maschinen sind in der Regel als Innenläufermaschinen ausgelegt, bei denen ein drehbar gelagerter Rotor von einem ortsfesten Stator umschlossen ist. Als Antriebsmaschinen können Synchronmaschinen, insbesondere Hybrid-Synchronmaschinen zum Einsatz kommen.
-
Eine im Automobilbereich zum Einsatz kommende Hochvoltversorgungseinheit kann derzeit ein Spannungsniveau von bis zu 800 Volt aufweisen. aufweisen. Solch eine Hochvoltversorgungseinheit besteht aus zahlreichen Komponenten. Eine wesentliche ist die Energiebereitstellungszelle, von denen in solch einer Einheit eine große Vielzahl verbaut ist. Für gewöhnlich kommen für den Aufbau solch einer Hochvoltversorgungseinheit Energiespeicherzellen zum Einsatz, vorzugsweise als Lithium-Ionen-Speicherzellen aufgebaute Energiespeicherzellen. Sind Energiespeicherzellen in der Hochvoltversorgungseinheit verbaut, dann wird diese auch als Hochvoltspeicher bzw. Traktionsbatterie bezeichnet. Eine Energiebereitstellungszelle kann aber beispielsweise auch unter Verwendung sogenannter Energiewandlerzellen aufgebaut sein, die beispielsweise als Brennstoffzelle ausgeführt sein können. Um beide Möglichkeiten zu umfassen, wird nachfolgend der Begriff Energiebereitstellungszelle oder verkürzt Zelle verwendet.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hochvoltversorgungseinheit eingangs genannter Art bauraumoptimierend zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte erfindungsgemäße Weiterbildungen dar.
-
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltversorgungseinheit (insbesondere einen Hochvoltspeicher HVS) bestehend aus mehreren Hochvoltversorgungsmodulen, die ihrerseits aus einer Vielzahl von Energiebereitstellungszellen aufgebaut sind, wobei für jedes Modul die gleiche Gesamt-Anzahl von Energiebereitstellungszellen vorgegeben ist, wobei über alle Module einer Hochvoltversorgungseinheit ein ganzzahliges Vielfaches seriell verschalteter Voll-Zellblöcke mit parallel geschalteten Einzel-Zellen gleicher Anzahl vorgesehen ist und wobei mindestens ein Doppelmodulverbinder vorgesehen ist, durch den bedarfsweise jeweils über zwei Modulgrenzen zwei Teil-Zellblöcke mit reduzierter Anzahl von parallel geschalteten Einzelzellen zu einem Voll-Zellblock parallel verschaltet sind.
-
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
- Beim Aufbau von Hochvoltversorgungseinheiten, insbesondere Hochvoltspeichern, für elektrifizierte Fahrzeuge müssen Restriktionen hinsichtlich der Parallelverschaltung von (Einzel-) Zellen (Energiebereitstellungszellen) auf einem Modul (Hochvoltversorgungsmodul) berücksichtigt werden.
-
Wenn in einem Hochvoltspeicher (HVS) eines elektrifizierten Fahrzeugs ein Modul aus mehreren Zellen aufgebaut wird, werden diese zur einfacheren Überwachung zuerst parallel zu (Voll-) Zellblöcken verschaltet („xp“, mit x=Anzahl der parallelverschalteten Einzel-Zellen). Anschließend werden die Zellblöcke seriell verschaltet (Bezeichnung: ysxp, mit y=Anzahl der seriell verschalteten Zellblöcke). So können mehrere Zellen einer Parallelverschaltung auf einem Modul zusammen überwacht werden (gemeinsamer „CSC (Cell Supervision Circuit)“ Anschluss). Die parallelverschalteten Zellen bilden eine gemeinsame logische Zelle, hier als Zellblock bezeichnet.
-
Auf Hochvoltspeicherebene muss immer eine geeignete Betriebsspannung über seriell verschaltete Zellblöcke erreicht werden. Daher gibt es je nach Zellzahl unterschiedliche Anforderungen an die Parallelverschaltung der Zellen auf dem Modul. Jedes Modul muss nach dem Stand der Technik ein ganzzahliges Vielfaches der Zellblöcke beinhalten, damit die einzelnen Module danach in Serie geschaltet werden können. Dies hat zur Folge, dass nicht jede Parallelverschaltung mit jedem Modultyp angeboten werden kann, wodurch die Vereinheitlichung und Skalierung von Hochvoltspeichern eingeschränkt ist.
-
Erfindungsgemäß wird ein Doppelmodulverbinder eingesetzt, der es ermöglicht über die Modulgrenze eine Parallelverschaltung zu realisieren (Pluspol auf Pluspol, Minuspol auf Minuspol). Es können somit (Voll-) Zellblöcke parallelgeschalteter Zellen sozusagen auf zwei Module verteilt und über den Doppelmodulverbinder parallel statt seriell verschaltet werden. So wird erfindungsgemäß ein „offenes“ bzw. variables Modul geschaffen, das
- - erstens mit stets gleicher Gesamtanzahl von Einzel-Zellen (z. B. 108 oder 96) ausgestattet ist und damit immer denselben (vorgegebenen bzw. maximal möglichen) Bauraum einnimmt,
- - zweitens innerhalb des Moduls grundsätzlich gleiche seriell verschaltete volle Zellblöcke (Voll-Zellblöcke) (z.B. 8p oder 12p, usw.) aufweist und
- - drittens bedarfsweise - wenn die Anzahl der Einzel-Zellen eines vollen Zellblockes nicht ganzzahlig durch die Gesamtanzahl der Einzel-Zellen eines Moduls teilbar ist - am Anfang und/oder am Ende eines Moduls einen im Vergleich mit dem jeweiligen vollen Zellblock eines Moduls reduzierten Zellblock (Teil-Zellblock) von parallelgeschalteten Einzel-Zellen aufweist, wobei die jeweils reduzierten Zellblöcke durch die Doppelmodulverbinder modulübergreifend zu einem vollen Zellblock parallelverschaltet werden; d.h. über alle verschaltete Module hinweg gesehen sind stets gleiche volle Zellblöcke seriell verschaltet.
-
Somit wird also die Anzahl der parallel geschalteten Zellen eines reduzierten Zellblocks am Ende eines ersten Moduls bestimmt durch die Differenz zwischen der Gesamtanzahl der Einzel-Zellen dieses Moduls und dem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Zellen aller vollen Zellblöcke. Die Anzahl der parallel geschalteten Zellen eines reduzierte Zellblocks am Anfang des zweiten (nächsten) Moduls wird bestimmt durch die Differenz der Anzahl der Zellen eines vollen Zellblocks und der Anzahl der Zellen des reduzierten Zellblocks im vorangegangenen Modul. Im Falle einer verbleibenden Differenz von weniger Einzel-Zellen als die Anzahl der Zellen eines vollen Zellblockes am Ende des zweiten Blocke wird am Anfang des dritten (übernächsten) Modul wieder mit einem zu einem vollen Zellblock ergänzenden reduzierten Zellblock begonnen. Dies wird solange wiederholt, bis das letzte Modul mit einem vollen Zellblock beendet werden kann.
-
Wenn z.B. ein 108er Modul in einem Hochvoltspeicher HVS als 8p Modul aufgebaut werden soll, ist dies bisher nicht möglich. Beim Stand der Technik musste bisher entweder ein Modul mit weniger Gesamtzellen (z.B. 104er Module mit 13s8p) oder ein 108er Modul mit reduzierter Anzahl von Einzelzellen eines Zellblockes (z.B. 27s4p) eingesetzt werden, was aber mehr Aufwand für die Zellüberwachung bedeutet. In vielen Fällen ist eine Halbierung der p-Zahl auch nicht möglich (z.B. bei allen ungeradzahligen p-Verschaltungen 3p, 5p, 7p,...).
-
So kann erfindungsgemäß nun z.B. auf einem Modul mit 108 Einzel-Zellen auch eine 8p-Verschaltung (immer 8 Zellen parallelverschaltet) über mehrere Module hinweg umgesetzt werden, wenn in einem ersten Modul ein reduzierter Zellblock 4p am Ende und in einem zweiten Modul ein reduzierter Zellblock 4p am Anfang vorgesehen werden, wobei das Ende des ersten Moduls mit dem Anfang des zweiten Moduls über den Doppelmodulverbinder parallel verschaltet werden. Je nach Ausrichtung der Pole (+, -) auf den Modulen und/oder je nach Lage der Module (gespiegelt oder ungespiegelt) wird entweder ein Doppelmodulverbinder mit Variante 1 für eine Überkreuzverbindung („Cross“) oder ein Doppelmodulverbinder mit Variante 2 für eine Normalverbindung („Straight“) eingesetzt.
-
In Kombination mit den passend aufgebauten anderen Modulen eines Hochvoltspeichers können so Parallelverschaltungen angeboten werden, die sonst nicht möglich wären. Voraussetzung ist, dass die Gesamtzahl der Zellen eines Hochvoltspeichers durch die gewünschte Parallelverschaltungszahl teilbar ist.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zur genaueren Erläuterung der Erfindung dargestellt. Es zeigen
- 1 mögliche Module gleichen Modultyps als offene Module passend zu einem vorgegebenen ersten Bauraum für eine erste maximale Anzahl von Einzelzellen,
- 2 mögliche Module mit zwei unterschiedlichen Modultypen als offene Module passend zu einem vorgegebenen zweiten Bauraum für eine zweite maximale Anzahl von Einzelzellen,
- 3 zwei erfindungsgemäße Varianten eines jeweils zwei Module parallel schaltenden Doppelmodulverbinders,
- 4 Beispiele von Zellblöcken mit einer vorgegebenen Anzahl von parallel geschalteten Einzelzellen, die auch vereinfacht dargestellt sind,
- 5 ein Standardmodul mit einem prinzipiellen Aufbau nach dem Stand der Technik,
- 6 ein Beispiel zum Vergleich eines einen vorgegebenen Bauraum ausfüllenden ersten Moduls und eines kleineren, den Bauraum nicht ausfüllenden Moduls jeweils für den Aufbau eines Hochvoltspeichers mit gleicher Energie bzw. Leistung bei unterschiedlicher Anzahl von Modulen,
- 7 ein Beispiel zum Vergleich eines einen vorgegebenen Bauraum ausfüllenden ersten Moduls für den Aufbau eines Hochvoltspeichers mit einer ersten Energie und eines einen vorgegebenen Bauraum ausfüllenden zweiten Moduls eines anderen Modultyps für den Aufbau eines Hochvoltspeichers mit einer zweiten Energie, beide mit gleicher erster Gesamt-Anzahl von Einzelzellen,
- 8 eine Tabelle zu Darstellung verschiedener erfindungsgemäßer Modultypen mit jeweils gleicher Gesamtanzahl von Einzelzellen für den Aufbau verschiedener Hochvoltspeicher mit unterschiedlicher Modulanzahl und Gesamtleistung,
- 9 ein Beispiel zum Vergleich zweier verschiedener einen vorgegebenen Bauraum ausfüllender Module mit einem den vorgegebenen Bauraum nicht ausfüllenden Modul nach dem Stand der Technik und
- 10 ein Beispiel mit zwei einen vorgegebenen alternativen Bauraum ausfüllenden erfindungsgemäßen Modulen unterschiedlichen Modultyps mit gleicher Gesamtanzahl von Einzelzellen für die Anwendung des Verschaltungsbeispiels nach 2.
-
In 1 sind schematisch zwei verschiedene Doppelmodulverbinder V1 und V2 dargestellt, die je nach Lage von zwei aufeinander folgenden Modulen M1 und M2 zum Aufbau eines Hochvoltspeichers mit 8 erfindungsgemäßen Modulen gleichen Modultyps, hier 13s8p+4p, als „offene“ Module passend zu einem vorgegebenen ersten Bauraum B für 108 Einzelzellen gezeigt. Die Anzahl der Module des gesamten Hochvoltspeichers entsprechen erfindungsgemäß stets der Anzahl der parallelgeschalteten Einzelzellen eines Voll-Zellblockes, hier z.B. 8 (8p).
-
2 zeigt mögliche erfindungsgemäße Module mit zwei unterschiedlichen Modultypen, hier 10s9p+6p und 3p+10s9p+3p, als offene Module passend zu einem vorgegebenen zweiten Bauraum B' für eine zweite maximale Anzahl von Einzelzellen, hier 96. Die hier dargestellten 9p Voll-Zellblöcke erfordern 9 Module. Die genauere Beschreibung zu Verschaltungsmöglichkeiten folgt weiter unten im Zusammenhang mit 10.
-
In 3 sind zwei erfindungsgemäße Varianten V1 und V2 eines jeweils zwei Module parallel schaltenden Doppelmodulverbinders. Je nach Ausrichtung der Pole (+, -) der letzten Einzelzelle EZ des ersten Moduls M1 und der ersten Einzelzelle EZ des zweiten Moduls M2 und/oder je nach Lage der Module M1 und M2 wird entweder Variante V1 eines Doppelmodulverbinders für eine Überkreuzverbindung oder Variante 2 eines Doppelmodulverbinders für eine Normalverbindung vorgesehen.
-
4 zeigt oben Beispiele von Zellblöcken, hier 8p und 4p, mit einer vorgegebenen Anzahl von parallel geschalteten Einzelzellen EZ, die unten vereinfacht dargestellt sind.
-
In 5 ist Beispiel für ein Standardmodul mit einem prinzipiellen Aufbau nach dem Stand der Technik dargestellt. Nach dem Stand der Technik wird ein Hockvoltspeicher ausschließlich aus Modulen mit Voll-Zellblöcken (hier 8p) aufgebaut, wobei die Module jeweils ausschließlich durch Einzelverbinder VB miteinander seriell verschaltet werden.
-
6 zeigt ein Beispiel zum Vergleich eines einen vorgegebenen Bauraum B ausfüllenden ersten Moduls - mit 108 Einzelzellen EZ in Form eines 9s12p Modultyps - und eines kleineren, den Bauraum B nicht ausnutzenden Moduls - mit 104 Einzelzellen EZ in Form eines 8s13p Modultyps - jeweils für den Aufbau eines Hochvoltspeichers mit gleicher Energie bei unterschiedlicher Anzahl von Modulen.
-
7 dagegen zeigt ein Beispiel zum Vergleich eines einen vorgegebenen Bauraum B ausfüllenden ersten Moduls - mit 108 Einzelzellen EZ in Form eines 9s12p Modultyps - für den Aufbau eines Hochvoltspeichers mit einer ersten Leistung von ca. 60 kWh und eines den gleichen vorgegebenen Bauraum ausfüllenden erfindungsgemäßes zweiten Moduls - mit 108 Einzelzellen EZ in Form eines 13s8p+4p Modultyps - für den Aufbau eines Hochvoltspeichers mit einer zweiten Leistung von ca. 40 kWh, beide mit gleicher von 108 Einzelzellen. Das zweite Modul weist am Ende einen Teil-Zellblock 4p auf, der mit einem nächsten Modul über einen erfindungsgemäßen Doppelmodulverbinder V1 oder V2 zu einem 8p Voll-Zellblock parallel verschaltet werden würde.
-
In 8 ist eine beispielhafte Tabelle zu Darstellung verschiedener erfindungsgemäßer Modultypen 1 bis 3 mit jeweils gleicher Gesamtanzahl von 108 Einzelzellen für den Aufbau verschiedener Hochvoltspeicher mit unterschiedlicher Modulanzahl und Gesamtleistung aufgelistet. Diese Tabelle ist nicht abschließend.
-
9 zeigt oben zwei den gleichen vorgegebenen Bauraum B' (der hier kleiner als B ist) ausfüllende Module mit jeweils 96 Gesamt-Einzelzellen EZ in Form von zwei unterschiedlichen Modultypen 12s8p und 8s12p. Mit 8 Modulen des Modultyps 12s8p kann ein Hochvoltspeicher mit einer ersten Energie von ca. 40 kWh aufgebaut werden. Mit 8 Modulen des Modultyps 8s12p kann ein Hochvoltspeicher mit einer zweiten Leistung von ca. 60 kWh aufgebaut werden. Da bei diesem Beispiel ausschließlich Voll-Zellblöcke verwendet werden, entspricht dieser Aufbau eher dem Stand der Technik.
-
Das untere Modul der 9 füllt nach dem Stand der Technik den vorgegebenen Bauraum B' nicht aus. Dieses Modul in Form eines Modultyps 7s13p weist nur 91 Gesamt-Einzelzellen auf. Wird ein Hochvoltspeicher von 65 kWh benötigt, soll nach der Erfindung aber ebenfalls der Bauraum B' ausgefüllt werden.
-
10 zeigt zwei erfindungsgemäße Modultypen M1 als 96/10s9p+6p Modul und M2 als 96/3p+10s9p+3p Modul, die in 2 verschaltet dargestellt sind. Sie füllen beide den vorgegebenen Bauraum B' aus. Wie auch gemäß 2 weisen diese zwei erfindungsgemäßen Module unterschiedlichen Modultyps eine Gesamtanzahl von 96 Einzelzellen auf.
-
Wie in 2 dargestellt werden der erste Modultyp10s9p+6p und der zweite Modultyp 3p+10s9p+3p je nach Bedarf über ihre jeweiligen Modulgrenzen hinweg mittels eines Doppelmodulverbinders V1 oder V2 parallel verschaltet, indem immer zwei Teil-Zellblöcke zu einem Voll-Zellblock von 9p ergänzt werden, sofern erforderlich. Dabei sind die Varianten der Doppelmodulverbinder V1 oder V2 auf die +/- Pol-Positionen der Zellblöcke und die Ausrichtung der Module entsprechend aufeinander abzustimmen:
- So weist beispielsweise das Ende des ersten Moduls M1 als Modultyp10s9p+6p einen Teil-Zellblock 6p mit + Pol oben und - Pol unten auf. Dieser wird hier über die rechte Modulgrenze hinweg mit dem Teil-Zellblock 3 (mit - Pol oben und + Pol unten) des zweiten Moduls M2 in Form des zweiten Modultyps 3p+10s9p+3p über einen Doppelmodulverbinder V2 parallel geschaltet. Das Modul M2 weist am Ende (aus Sicht der ersten Doppelmodulverbindung) einen Teil-Zellblock 3p mit + Pol oben und - Pol unten auf.
-
Mit Modul 4 beginnt eine prinzipielle Wiederholung der Anordnung der Module M1 bis M3; diese sind jedoch um 180° gedreht. Es folgt also ein viertes Modul M4 des ersten Modultyps, das nur mit einer Einzelverbindung VB nach dem Stand der Technik mit dem Modul M3 in Serie zu schalten ist. Das Ende des Moduls M3 wird durch einen Voll-Zellblock 9p gebildet, der mit dem Anfang des Moduls M4, ebenfalls mit einem Voll-Zellblock 9p, in Serie geschaltet wird. Das fünfte Modul würde wieder als zweiter Modultyp M2 fortfahren.
-
Die Begriffe Anfang und Ende eines Moduls werden aus der Sicht einer Kette gesehen, deren Glieder zu verbinden sind.
-
So werden entsprechend den gewünschten Doppelmodulverbindern V1 und/oder V2 (hier nicht vollständig dargestellt) 9 Module verschaltet.
-
Die Doppelmodulverbinder V1 oder V2 ermöglichen also eine modulübergreifende Parallelverschaltung von Teil-Zellblöcken zu Voll-Zellblöcken. Nur im Idealfall muss dieser nur den halben Strom eines Standardverbinders tragen. Im „Worst Case“ muss er pro Kabel den (p-1)/p-fachen Strom tragen. Prinzipiell können so alle Module verschaltet werden, wenn Modulzahl gleich p-Zahl bzw. deren Vielfaches (bei 800V ist doppelte Modulanzahl wie bei 400 V seriell zu verschalten).
-
Beispiel 1 für einen Gesamt-Hochvoltspeicher (96s9p) mittels 6 Module des Typs M1 als 96/10s9p+6p Modul und mittels 3 Module des Typs M2 als 96/3p+10s9p+3p Modul; mittels Verwendung nur einer einzigen Doppelmodulverbinder-Variante, hier 6 mal V2:
- M1 - V2 - M2 - V2 - M1 um 180° gedreht - VB - M1 um 180° gedreht - V2 - M2 180° gedreht - V2 - M1 -VB- M1- V2 - M2- V2- M1 um 180° gedreht.
-
Beispiel 2 für einen Gesamt-Hochvoltspeicher (96s9p) mittels 6 Module des Typs M1 als 96/10s9p+6p Modul und mittels 3 Module des Typs M2 als 96/3p+10s9p+3p Modul; mittels Verwendung beider Doppelmodulverbinder-Varianten, hier 2 mal V1 und 4 mal V2:
- M1 - V2-M2- V2- M1 um 180° gedreht - VB - M1 um 180° gedreht-V1 - M2-V1 - M1 - VB - M1 - V2 - M2 - V2 - M1 um 180° gedreht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015225404 A1 [0002]
