DE102020116420A1 - Energy supply system for an electrically powered vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit drei parallel geschalteten Hochvolt-Speichersträngen umfassend jeweils einen ersten und einen zweiten in Reihe geschalteten Teilspeicherstrang (10, 40; 20, 50; 30, 60). Die Hochvolt-Speicherstränge sind zwischen den Teilspeichersträngen über eine erste bis dritte schaltbare Verbindung (111-113) ringförmig koppelbar. Das Energieversorgungssystem weist einen ersten Anschlusspunkt (101) und einen zweiten Anschlusspunkt (102) auf. Der zweite Anschlusspunkt (102) ist über eine vierte schaltbare Verbindung (114) zwischen dem ersten und dem zweiten Teilspeicherstrang (30, 60) mit dem dritten Hochvolt-Speicherstrang (30, 60), der zweiten schaltbaren Verbindung (112) und der dritten schaltbaren Verbindung (113) elektrisch koppelbar. Der erste Anschlusspunkt (101) ist über eine fünfte schaltbare Verbindung (115) mit Minus-Polen (13, 23, 33) der ersten Teilspeicherstränge (10, 20, 30) elektrisch koppelbar. Der zweite Anschlusspunkt (102) ist über eine sechste schaltbare Verbindung (116) mit Plus-Polen (44, 54, 64) der zweiten Teilspeicherstränge (40, 50, 60) elektrisch koppelbar. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.The invention relates to an energy supply system for an electrically driven vehicle with three high-voltage storage strings connected in parallel, each comprising a first and a second partial storage string (10, 40; 20, 50; 30, 60) connected in series. The high-voltage storage strings can be coupled in a ring between the partial storage strings via a first to third switchable connection (111-113). The energy supply system has a first connection point (101) and a second connection point (102). The second connection point (102) is via a fourth switchable connection (114) between the first and the second partial storage string (30, 60) with the third high-voltage storage string (30, 60), the second switchable connection (112) and the third switchable Connection (113) can be electrically coupled. The first connection point (101) can be electrically coupled to negative poles (13, 23, 33) of the first partial memory strands (10, 20, 30) via a fifth switchable connection (115). The second connection point (102) can be electrically coupled to positive poles (44, 54, 64) of the second partial storage strands (40, 50, 60) via a sixth switchable connection (116). The invention also relates to an electrically powered vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.The invention relates to a power supply system for an electrically drivable vehicle and an electrically drivable 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 powered vehicles are increasingly attracting people's interest. In particular, land vehicles, including 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-driven aircraft, jet aircraft, 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, for example, 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.The number of electrical safety, comfort and information systems is already considerable, 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 (electrical steering) and break-by-wire systems (electrical braking), for land vehicles an active chassis control, assistance systems and infotainment systems.
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.There is a constant need to increase the storage capacity of the energy storage, the efficiency of the electrical components, the system availability and failure safety, to shorten the charging time and to master the complexity in technology and production.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen in Bezug auf die genannten Punkte verbesserten Energieversorgungssystem für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sowie ein entsprechendes Fahrzeug bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an energy supply system for an electrically drivable vehicle and a corresponding vehicle, which is improved with regard to the points mentioned.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug. Das Energieversorgungssystem umfasst drei parallel geschalteten Hochvolt-Speichersträngen mit jeweils einem ersten und einem zweiten in Reihe geschalteten Teilspeicherstrang. Der erste Hochvolt-Speicherstrang und der zweite Hochvolt-Speicherstrang sind zwischen den ersten und den zweiten Teilspeichersträngen über eine erste schaltbare Verbindung elektrisch koppelbar. Der erste Hochvolt-Speicherstrang und der dritte Hochvolt-Speicherstrang sind zwischen den ersten und den zweiten Teilspeichersträngen über eine zweite schaltbare Verbindung elektrisch koppelbar. Der zweite Hochvolt-Speicherstrang und der dritte Hochvolt-Speicherstrang sind zwischen den ersten und den zweiten Teilspeichersträngen über eine dritte schaltbare Verbindung elektrisch koppelbar. Das Energieversorgungssystem einen ersten Anschlusspunkt, einen zweiten Anschlusspunkt und bevorzugt einen dritten Anschlusspunkt auf.The object is achieved by an energy supply system according to the invention for an electrically drivable vehicle. The energy supply system comprises three high-voltage storage strings connected in parallel, each with a first and a second partial storage string connected in series. The first high-voltage storage string and the second high-voltage storage string can be electrically coupled between the first and the second partial storage strings via a first switchable connection. The first high-voltage storage string and the third high-voltage storage string can be electrically coupled between the first and the second partial storage strings via a second switchable connection. The second high-voltage storage string and the third high-voltage storage string can be electrically coupled between the first and the second partial storage strings via a third switchable connection. The energy supply system has a first connection point, a second connection point and preferably a third connection point.
Gemäß einem Aspekt ist der zweite Anschlusspunkt über eine vierte schaltbare Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilspeicherstrang mit dem dritten Hochvolt-Speicherstrang, der zweiten schaltbaren Verbindung und der dritten schaltbaren Verbindung elektrisch koppelbar.According to one aspect, the second connection point can be electrically coupled via a fourth switchable connection between the first and the second partial storage line to the third high-voltage storage line, the second switchable connection and the third switchable connection.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der erste Anschlusspunkt über eine fünfte schaltbare Verbindung mit Minus-Polen der ersten Teilspeicherstränge elektrisch koppelbar.According to a further aspect, the first connection point can be electrically coupled to negative poles of the first partial storage strings via a fifth switchable connection.
Weiterhin ist der zweite Anschlusspunkt über eine sechste schaltbare Verbindung mit Plus-Polen der zweiten Teilspeicherstränge elektrisch koppelbar.Furthermore, the second connection point can be electrically coupled to positive poles of the second partial storage strings via a sixth switchable connection.
Durch den vorbeschriebenen Aufbau des Energieversorgungssystems können Stromflüsse situationsangepasst umgeleitet werden. Dies erlaubt eine deutlich erhöhte Verfügbarkeit der Hochvolt-Gleichspannung bei Zellfehlern in einzelnen Teilspeichersträngen. Über die schaltbaren Verbindungen kann zusätzlich ein Ladungsausgleich zwischen einzelnen Teilspeichersträngen vorgenommen werden.Due to the structure of the energy supply system described above, current flows can be diverted according to the situation. This allows a significantly increased availability of the high-voltage direct voltage in the event of cell errors in individual storage strings. The switchable connections can also be used to balance the charge between individual storage strands.
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.The partial storage strings each include at least one high-voltage direct voltage source. In the context of the disclosure, high-voltage direct voltages are characterized by a potential difference of at least 60 volts. In the present case, the high-voltage DC voltage of the high-voltage storage strings can be several hundred volts, e.g. B. 200 V, 400 V, 600 V, 800 V, 1200 V or voltage values between those mentioned. For example, the partial storage strings can be battery modules, each with a plurality of cells connected in series. A plurality of battery modules, possibly with further electronic components, can also be combined to form a battery pack and form a partial storage string.
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 embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, which can each represent an aspect of the invention individually or in combination.
Vorteilhaft kann das Energieversorgungsystem einen dritten Anschlusspunkt aufweisen. Der dritte Anschlusspunkt ist in diesem Fall über die sechste schaltbare Verbindungmit den Plus-Polen der zweiten Teilspeicherstränge elektrisch koppelbar.The energy supply system can advantageously have a third connection point. In this case, the third connection point is via the sixth switchable connection with the positive poles of the second partial storage strings can be electrically coupled.
Bevorzugt kann der zweite Anschlusspunkt über eine siebte schaltbare Verbindung mit der sechsten schaltbaren Verbindung elektrisch koppelbar sein, um den zweiten Anschlusspunkt mit den Pluspolen der zweiten Teilspeicherstränge elektrisch zu koppeln.The second connection point can preferably be electrically coupled to the sixth switchable connection via a seventh switchable connection in order to electrically couple the second connection point to the positive poles of the second partial storage strands.
Optional ist der erste Anschlusspunkt über eine achte schaltbare Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilspeicherstrang mit dem dritten Hochvolt-Speicherstrang, der zweiten schaltbaren Verbindung und der dritten schaltbaren Verbindung elektrisch koppelbar.Optionally, the first connection point can be electrically coupled via an eighth switchable connection between the first and the second partial storage line to the third high-voltage storage line, the second switchable connection and the third switchable connection.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die Teilspeicherstränge jeweils ein mit der Hochvolt-Gleichspannungsquelle in Reihenschaltung angeordneten Schalter aufweisen. Durch das Trennelement kann ein Stromfluss in den ersten Teilspeichersträngen unterbrochen werden.According to a further aspect, the partial storage strings can each have a switch arranged in series with the high-voltage direct voltage source. A current flow in the first partial storage strings can be interrupted by the separating element.
Vorteilhaft kann durch die selektive Kopplung über die erste bis dritte Schaltbare Verbindung der Hochvolt-Speicherstränge eine aktive Ladungsverschiebung/Umladung zwischen den Speichersträngen bzw. den einzelnen Teilspeichersträngen vorgenommen werden.Advantageously, through the selective coupling via the first to third switchable connection of the high-voltage storage strings, an active charge shift / charge reversal between the storage strings or the individual partial storage strings can be carried out.
Die schaltbaren Verbindungen weisen dafür schaltbaren Trennelemente auf. Vorteilhaft kann es sich beispielsweise um Halbleiterschalter handeln. 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. So lassen sich etwa Spannungsunterschiede durch gesteuerte Ladungsverschiebungen ausgleichen.The switchable connections have switchable isolating elements for this purpose. It can advantageously be a semiconductor switch, for example. Semiconductor switches hardly wear out. Furthermore, an active battery or cell management can be operated through targeted control, for example with pulse width modulation (PWM) or operation in the constriction area. For example, voltage differences can be compensated for by controlled charge shifts.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt können die Hochvolt-Speicherstränge in einem Batteriegehäuse angeordnet und bevorzugt einzeln entnehmbar sein. Auf diese Weise lassen sich die Hochvolt-Speicherstränge aus dem Energieversorgungssystem besonders leicht warten oder austauschen.According to a further advantageous aspect, the high-voltage storage strings can be arranged in a battery housing and can preferably be removed individually. In this way, the high-voltage storage strings from the energy supply system can be serviced or replaced particularly easily.
Die vorstehenden Aspekte ermöglichen eine granulare Steuerung der Strompfade. Auf diese Weise können Stromflüsse um defekte Bauelemente herumgeleitet und Kurzschlüsse elektrisch isoliert werden.The above aspects enable granular control of the current paths. In this way, current flows can be routed around defective components and short circuits can be electrically isolated.
Bereitgestellt wird weiterhin ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem und mindestens zwei elektrischen Antriebssträngen, bevorzugt mit 800 V oder 400 V.Furthermore, an electrically drivable vehicle is provided with an energy supply system according to the invention and at least two electric drive trains, preferably with 800 V or 400 V.
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 stark vereinfachte schematische Darstellung der elektrischen Schaltung eines Energieversorgungsystems mit drei Hochvolt-Speichersträngen, und - -
2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Variante der elektrischen Schaltung des Energieversorgungssystems mit drei Hochvolt-Speichersträngen.
- -
1 a greatly simplified schematic representation of the electrical circuit of an energy supply system with three high-voltage storage strings, and - -
2 a greatly simplified schematic representation of a variant of the electrical circuit of the energy supply system with three 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, summarized. Electrical couplings of the respective components in the electrical circuit are provided 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
Das Energieversorgungssystem weist weiterhin einen ersten Anschlusspunkt
Der zweite Anschlusspunkt
Der erste Anschlusspunkt
Der zweite Anschlusspunkt
Das Energieversorgungsystem weist einen dritten Anschlusspunkt
Der zweite Anschlusspunkt
Der erste Anschlusspunkt
Die Teilspeicherstränge
Die Schalter der ersten bis dritten schaltbaren Verbindung
Das Energieversorgungssystem umfasst eine Anschlusseinheit
Die Anschlusseinheit
Der erste Konnektor
Beim Laden mit der vollen Strangspannung sind die Schalter der fünften, sechsten und siebten schaltbaren Verbindung
Sofern beim Laden mit der vollen Strangspannung ein Teilspeicherstrang
Beim Laden mit der halben Strangspannung (z.B. 400 V) werden die fünfte und vierte schaltbare Verbindung
Im Antriebsmodus mit voller Strangspannung werden die fünfte, sechste und siebte schaltbare Verbindung
Bei Ausfall eines Antriebs ist der zweite Antrieb weiterhin verfügbar, selbst bei einem Kurzschluss in der Last.If one drive fails, the second drive is still available, even if there is a short circuit in the load.
Bei Komplettausfall der zweiten Teilspeicherstränge
Bei Komplettausfall der ersten Teilspeicherstränge
Während in
Der restliche Aufbau des Energieversorgungssystems entspricht dem bereits zuvor beschriebenen aus
Beim Laden mit der vollen Strangspannung sind die Schalter der fünften, sechsten und siebten schaltbaren Verbindung
Sofern beim Laden mit der vollen Strangspannung ein Teilspeicherstrang
Beim Laden mit der halben Strangspannung (z.B. 400 V) werden die fünfte und vierte schaltbare Verbindung
Im Antriebsmodus mit angetriebenem ersten Antriebsstrang
Im Antriebsmodus mit angetriebenem zweiten Antriebsstrang
Bei Ausfall eines Antriebs ist der zweite Antrieb weiterhin verfügbar, selbst bei einem Kurzschluss in der Last.If one drive fails, the second drive is still available, even if there is a short circuit in the load.
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DE102020116420.3A DE102020116420A1 (en) | 2020-06-22 | 2020-06-22 | Energy supply system for an electrically powered vehicle |
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DE102020116420.3A DE102020116420A1 (en) | 2020-06-22 | 2020-06-22 | Energy supply system for an electrically powered vehicle |
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DE102020116420A1 true DE102020116420A1 (en) | 2021-12-23 |
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DE102020116420.3A Pending DE102020116420A1 (en) | 2020-06-22 | 2020-06-22 | Energy supply system for an electrically powered vehicle |
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- 2020-06-22 DE DE102020116420.3A patent/DE102020116420A1/en active Pending
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