DE102020117681A1 - Control device for a battery storage - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrolleinrichtung (12) eines Batteriespeichers (1) eines Elektrofahrzeugs. Um eine Kontrolleinrichtung für einen Batteriespeicher zu schaffen, die ein schnelles Laden unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards zuverlässig ermöglicht und zugleich unter Verwendung vergleichsweise preiswerter Komponenten aufgebaut ist, wird vorgeschlagen, dass die Module (Mod 1,..., Mod 16) zu zwei Teilsträngen (2, 3) mit gleicher Nennspannung verschaltet sind, so dass der Batteriespeicher (1) durch das um die Kontrolleinrichtung (12) erweiterte Batteriemanagementsystem (BMS) zwischen der 400 V- für den Fahrbetrieb und der 800 V-Spannungsebene für ein Schnellladen umschaltbar ausgebildet ist.The present invention relates to a control device (12) for a battery store (1) in an electric vehicle. In order to create a control device for a battery storage device that reliably enables fast charging while complying with the highest safety standards and is also constructed using comparatively inexpensive components, it is proposed that the modules (Mod 1,..., Mod 16) be divided into two sub-strings ( 2, 3) are connected with the same nominal voltage, so that the battery storage (1) can be switched between the 400 V voltage level for driving and the 800 V voltage level for quick charging by the battery management system (BMS) expanded by the control device (12). .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrolleinrichtung für einen Batteriespeicher, vorzugsweise für einen Batteriespeicher eines Elektrofahrzeugs.The present invention relates to a control device for a battery store, preferably for a battery store of an electric vehicle.

Neben stationären Anwendungen als Notstromversorgung und Puffer für Leistungsspitzen werden große Batteriespeicher heute regelmäßig auch in reinen Elektrofahrzeugen eingesetzt, also als Ersatz für einen Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinen. Diese Batteriespeicher enthalten als geschlossene Einheiten neben Batteriezellen bzw. Batteriemodulen und Elementen zur Verschaltung dieser Module auch eine Vorrichtung zur Kontrolle und Steuerung vor Lade- und Entladevorgängen, die meist in einem separaten Gehäuseabschnitt oder davon gänzlich getrennten Gehäuse innerhalb des Batteriespeichers angeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung ist mit Komponenten der Elektronik, z.B. Batteriemanagementsystem, Strommessshunt sowie Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schützen, Vorlade-Relais, Sicherungen und Stromschienen verbunden.In addition to stationary applications as emergency power supply and buffers for power peaks, large battery storage systems are now also regularly used in purely electric vehicles, i.e. as a replacement for a drive from internal combustion engines. In addition to battery cells or battery modules and elements for interconnecting these modules, these battery storage units also contain a device for monitoring and controlling prior to charging and discharging processes, which is usually arranged in a separate housing section or completely separate housing within the battery storage unit. Such a device is connected to components of the electronics, e.g. battery management system, current measuring shunt as well as components of the electromechanics, e.g. in the form of contactors, pre-charging relays, fuses and busbars.

Nun ergibt sich eine besondere Herausforderung dadurch, dass der Batteriespeicher eines Elektrofahrzeugs für einen Einsatz stets ausreichend aufgeladen sein soll. Zudem sollen die Ladezeiten als mögliche Zwangspausen, in denen das betreffende Fahrzeug nicht zu Verfügung steht, so kurz als möglich gehalten werden. Gerade beim Laden produzieren die in dem Batteriespeicher enthaltenen elektrotechnischen Komponenten als Summe aus den elementaren elektrochemischen Zellen, reiner Elektronik, Stromschienen, Sicherungen, Schützen etc. aber zum Teil Verlustwärme in nicht unerheblichem Maße. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Batteriesystem beim Laden mit hohen Strömen beaufschlagt wird. Dieser Zustand tritt insbesondere beim Laden eines Batteriespeichers auf, das unter Einhaltung aller Sicherheitsvorgaben dennoch in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden soll. Zur Begrenzung der Ladeströme sind Systeme vorgeschlagen worden, die abweichend von einem 400 V-Standard bei Elektrofahrzeugen auf eine Ladespannung von 800 V setzen. Damit kann eine Ladezeit unter Einhaltung einer vorgegebenen Strombelastung halbiert werden.A particular challenge now arises from the fact that the battery storage of an electric vehicle should always be sufficiently charged for use. In addition, the loading times should be kept as short as possible as possible mandatory breaks in which the vehicle in question is not available. Particularly when charging, the electrotechnical components contained in the battery storage system, as the sum of the elementary electrochemical cells, pure electronics, busbars, fuses, contactors, etc., sometimes produce heat losses to a not inconsiderable extent. This is especially true when the battery system is charged with high currents. This state occurs in particular when charging a battery storage device, which should nevertheless be carried out in as short a time as possible in compliance with all safety specifications. To limit the charging currents, systems have been proposed which, in deviation from a 400 V standard, rely on a charging voltage of 800 V for electric vehicles. In this way, a charging time can be halved while maintaining a specified current load.

Es besteht daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Kontrolleinrichtung für einen Batteriespeicher zu schaffen, die ein schnelles Laden unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards zuverlässig ermöglicht und zugleich unter Verwendung vergleichsweise preiswerter Komponenten aufgebaut ist.The object of the present invention is therefore to create a control device for a battery storage device which reliably enables fast charging while maintaining the highest safety standards and at the same time is constructed using comparatively inexpensive components.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine Kontrolleinrichtung zur Steuerung eines Batteriespeichers eines Elektrofahrzeugs o.ä. vorgesehen ist, wobei in dem Batteriespeicher die einzelnen Module über Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schützen, Sicherungen und Stromschienen miteinander verschaltet und mit einem Batteriemanagementsystem verbunden sind, wobei die Kontrolleinrichtung als Teil des Batteriemanagementsystems dazu ausgebildet ist, den Batteriespeicher so anzusteuern, dass der Batteriespeicher durch Umschaltung auf der 800 V-Spannungsebene geladen und auf der 400 V- Spannungsebene zum Fahrbetrieb entladen wird. Dementsprechend sieht eine Kontrolleinrichtung einen Umschalter für einen Wechsel zwischen der 400 V- Spannungsebene und der 800 V-Spannungsebene vor, die als Umschaltung zwischen einer Parallelschaltung zweier Teilstränge hin zu einer Serienschaltung realisiert ist, wobei innerhalb des Batteriespeichers zum schnellen Laden über der Serienschaltung die 800 V-Spannungsebene und zum Fahrbetrieb über der Parallelschaltung der Teilstränge nur die 400 V-Spannungsebene anliegt. According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1 in that a control device for controlling a battery store of an electric vehicle or the like is provided, the individual modules in the battery store using electromechanical components, e.g. in the form of contactors, fuses and busbars are interconnected and connected to a battery management system, the control device being designed as part of the battery management system to control the battery storage device in such a way that the battery storage device is charged by switching to the 800 V voltage level and discharged to the 400 V voltage level for driving. Accordingly, a control device provides a changeover switch for a change between the 400 V voltage level and the 800 V voltage level, which is implemented as a changeover between a parallel connection of two partial strings to a series connection, with the 800 within the battery storage for fast charging via the series connection V voltage level and for driving, only the 400 V voltage level is applied via the parallel connection of the partial strings.

800 V Systeme ermöglichen bei gleichem Stromfluss einen schnelleren Ladevorgang, allerdings sprechen Verfügbarkeit und Preis der Antriebskomponenten für 400 V Systeme. Für ein Laden auf der 800 V-Spannungsebene ist ein Inverter i.d.R. in einer Ladesäule integriert. Damit entfallen auf das Fahrzeug hier keine Kosten für die teurere 800 V Hochvolt Komponenten. Wenn nun aber das 800 V-System auch für den Antrieb einsetzten werden soll, dann werden gegenüber einem 400 V-System vergleichsweise teurere HV Komponenten benötigt, wie sie aktuell schon aufgrund der höheren Preise vor allem für Oberklassefahrzeuge zum Einsatz kommen. Ein Preistreiber ist vor allem der DC/DC Steller für 800 V, der aufwendiger und bedingt durch teurere Komponenten und viel niedrigere Stückzahlen deutlich teurer als eine vergleichsbare Komponente für das 400 V-System ist. Außerdem müssen dann auch schaltende Komponenten innerhalb des Batteriespeichers auf 800 V vorgeladen werden.800 V systems enable faster charging with the same current flow, but the availability and price of the drive components speak in favor of 400 V systems. For charging at the 800 V voltage level, an inverter is usually integrated in a charging station. This means that the vehicle does not incur any costs for the more expensive 800 V high-voltage components. If, however, the 800 V system is to be used for the drive as well, then HV components that are comparatively more expensive than a 400 V system are required, as they are currently used primarily for luxury vehicles due to the higher prices. One of the main price drivers is the DC / DC converter for 800 V, which is more complex and, due to the more expensive components and much lower quantities, significantly more expensive than a comparable component for the 400 V system. In addition, switching components within the battery storage must then also be precharged to 800 V.

Der Erfindung liegt also im Wesentlichen die Erkenntnis zugrunde, dass 800 V Systeme normalerweise aus rein seriell verschalteten Batteriemodulen bestehen, wohingegen bei den 400 V Systemen die Module in mindestens zwei Stränge parallel geschaltet werden können, um einen Systemstrom und eine Kapazität eines derartigen Batteriespeichers zu erhöhen. Durch die vorliegende Erfindung werden die Vorteile beider Systeme durch eine intelligente Vorrichtung derart verbunden, dass einerseits ein schnelles Laden auf der 800 V-Ebene ermöglicht ist und andererseits trotzdem vergleichsweise günstigere HV Komponenten für ein 400 V-System genutzt und für eine Speisung eines elektrischen Antriebs im Fahrmodus verwendet werden können.The invention is essentially based on the knowledge that 800 V systems normally consist of battery modules connected purely in series, whereas in 400 V systems the modules can be connected in parallel in at least two strings in order to increase a system current and a capacity of such a battery storage device . The present invention combines the advantages of both systems through an intelligent device in such a way that, on the one hand, fast charging at the 800 V level is enabled and, on the other hand, comparatively cheaper HV components are still used for a 400 V system and can be used to feed an electric drive in driving mode.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach ist ein mit dem Batteriemanagementsystem BMS verbundener Schalter vorgesehen, durch den eine Umschaltung zwischen einem 800 V- und einem 400 V-System an den Klemmen des Batteriespeichers bewirkt wird. Das Batteriemanagementsystem BMS ist also dahingehend erweitert worden, dass es nun auch einen Schalter derart ansteuern kann, dass ein schnelles Laden auf der 800 V-Spannungsebene und ein normaler Fahrbetrieb auf der 400 V- Spannungsebene realisiert ist.Advantageous further developments are the subject of the respective subclaims. Accordingly, a switch connected to the battery management system BMS is provided, by means of which a switchover between an 800 V and a 400 V system is effected at the terminals of the battery storage system. The BMS battery management system has been expanded so that it can now also control a switch in such a way that fast charging at the 800 V voltage level and normal driving at the 400 V voltage level is implemented.

Dieser Schalter ist vorzugsweise als Wechselschalter ausgeführt. Damit ist dieser Schalter nur zum Umschalten zwischen einem 800 V- und einem 400 V-System verwendbar. Dabei ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung - beispielsweise durch ein entsprechend funktional erweitertes Batteriemanagementsystem BMS - sichergestellt, dass der Schalter nur im Stillstand des Fahrzeugs bedienbar ist.This switch is preferably designed as a changeover switch. This switch can therefore only be used to switch between an 800 V and a 400 V system. In a preferred embodiment of the invention, it is ensured - for example by means of a correspondingly functionally expanded battery management system BMS - that the switch can only be operated when the vehicle is at a standstill.

Der Schalter weist eine Normal- bzw. Grundstellung auf, in der das 400 V System an den Klemmen des Batteriespeichers aktiviert ist. Damit ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass das Fahren stets auf der 400V-Ebene erfolgt und nur bei einer Schnellladung auf die 800V-Ebene umgeschaltet werden kann. Das Fahren erfolgt also stets auf 400V, wobei ein Laden als Schnellladen auch auf der 800V-Ebene möglich ist.The switch has a normal or basic position in which the 400 V system is activated at the battery storage terminals. This advantageously ensures that driving is always carried out on the 400V level and can only be switched to the 800V level during rapid charging. Driving is therefore always at 400V, whereby charging as fast charging is also possible on the 800V level.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Batteriemanagementsystem BMS über ein Bussystem mit Strommesswiderständen der Teilstränge und über ein separates Bussystem mit den Zellsensor-Schaltkreisen in den Modulen der Teilstränge sowie über Steuerleitungen mit Schützen und dem Wechselschalter verbunden. Es wird also eine angepasste Vorladung bezüglich Vorladewiderstand, Vorlade-Relais und eine höhere Genauigkeit bei der Vorladung benötigt, um die Schütze nicht innerhalb kurzer Betriebszeit bereits stark zu beschädigen. Für das umschaltbare System müssen damit erfindungsgemäß die Schütze und die Vorladung bzw. Vorlade-Relais auf das höhere Spannungsniveau von 800 V ausgelegt werden.In a preferred embodiment of the invention, the battery management system BMS is connected via a bus system with current measuring resistors of the sub-strings and via a separate bus system with the cell sensor circuits in the modules of the sub-strings and via control lines with contactors and the changeover switch. An adapted pre-charging with regard to the pre-charging resistance, pre-charging relay and a higher level of accuracy in the pre-charging are required in order not to damage the contactors severely within a short operating time. According to the invention, the contactors and the pre-charging or pre-charging relays must be designed for the higher voltage level of 800 V for the switchable system.

Vorzugsweise ist die Kontrolleinrichtung insbesondere durch das Batteriemanagementsystem BMS dazu ausgebildet, automatisch ein Anschließen an ein externes Ladesystem zu erkennen und einen Batteriespeicher in Abhängigkeit davon umzuschalten, ob der Batteriespeicher zum Laden an eine 400 V- oder eine 800 V-Spannungsebene angeschlossen ist.The control device is preferably designed, in particular by the battery management system BMS, to automatically recognize a connection to an external charging system and to switch a battery storage device depending on whether the battery storage device is connected to a 400 V or an 800 V voltage level for charging.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird bei Einleitung eines Lade-Vorgangs grundsätzlich von einer 800 V-Spannungsebene einer externen Ladevorrichtung ausgegangen. Nur wenn eine Eingangsspannungsmessung eine 400 V-Spannungsebene der betreffenden externen Ladevorrichtung detektiert, wird vor Einleitung eines Ladevorgangs in dem Batteriespeicher auf eine Umschaltung verzichtet und das System bleibt bei einer 400 V-Spannungsebene zum Laden des Batteriespeichers.In an alternative embodiment of the invention, when a charging process is initiated, an 800 V voltage level of an external charging device is assumed. Only if an input voltage measurement detects a 400 V voltage level of the relevant external charging device, before a charging process is initiated in the battery storage device, a switchover is dispensed with and the system remains at a 400 V voltage level for charging the battery storage device.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

  • 1: einen Schaltplan eines Batteriespeichers mit einer Kontrolleinheit und einer Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen in einem Ruhezustand;
  • 2: den Schaltplan gemäß 1 in einem Hochvolt-Ladezustand und
  • 3: den Schaltplan gemäß 1 in einem Zustand, in dem elektrische Energie zum Fahrbetrieb oder zum Laden an einer externen Ladevorrichtung mit 400 V-Spannungsebene bereitgestellt ist.
Further features and advantages of embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to embodiments using the drawing. It shows in a schematic representation:
  • 1 : a circuit diagram of a battery store with a control unit and a plurality of electrical storage cells in an idle state;
  • 2 : the circuit diagram according to 1 in a high-voltage state of charge and
  • 3 : the circuit diagram according to 1 in a state in which electrical energy is provided for driving or for charging to an external charging device with a 400 V voltage level.

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne eine Beschränkung des Einsatzfeldes wird nachfolgend nur auf einen Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem reinen Elektro-Fahrzeug eingegangen, das selber nicht weiterdargestellt ist. Dem Fachmann ist aber ohne weiteres ersichtlich, dass erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch sehr vorteilhaft bei stationären Energiespeichern Verwendung finden können, insbesondere in Verbindung mit Windkraft- und/oder Photovoltaik-Anlagen.The same reference symbols are always used for the same elements across the various figures. Without restricting the field of application, only the use of a device according to the invention in a purely electric vehicle will be discussed below, which is not shown further. However, it is readily apparent to the person skilled in the art that devices according to the invention can also be used very advantageously in stationary energy stores, in particular in connection with wind power and / or photovoltaic systems.

Die Skizze von 1 zeigt einen Schaltplan eines Batteriespeichers 1 mit 16 Modulen Mod 1 bis Mod 16, die jeweils eine nicht weiter dargestellte Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen umfassen. Für diese Speicherzellen ist jeweils ein Zellsensor-Schaltkreis csc 1 ... csc 16 in dem betreffenden Modul zur elektrischen und thermischen Überwachung vorgesehen.The sketch of 1 shows a circuit diagram of a battery storage device 1 with 16 modules Mod 1 to Mod 16, each of which includes a plurality of electrical storage cells (not shown). A cell sensor circuit csc 1 ... csc 16 is provided for each of these memory cells in the relevant module for electrical and thermal monitoring.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind von den besagten 16 Modulen in abgekürzter Art und Weise nur die Module Mod 1, Mod 8, Mod 9 und Mod 16 dargestellt worden, die zu zwei Teilsträngen 2, 3 verschaltet sind. Der erste Teilstrang 2 umfasst eine Serien- bzw. Reihenschaltung der Module Mod 1 bis Mod 8, der zweite Teilstrang 3 eine Reihenschaltung der Module Mod 9 bis Mod 16. Der dargestellte Batteriespeicher 1 befindet sich in einem Ruhezustand, d.h. externe elektrische Anschlüsse 4 mit positiver und negativer Polarität sind durch Schütze 5, 6, 7 von den Modulen beider Teilstränge 2, 3 getrennt.For the sake of clarity, of the said 16 modules, only the Mod 1, Mod 8, Mod 9 and Mod 16 modules have been shown in an abbreviated manner, which are interconnected to form two sub-strings 2, 3. The first sub-string 2 comprises a series connection of the modules Mod 1 to Mod 8, the second sub-string 3 a series connection of the modules Mod 9 to Mod 16. The shown The battery storage device 1 is in an idle state, ie external electrical connections 4 with positive and negative polarity are separated from the modules of both sub-strings 2, 3 by contactors 5, 6, 7.

Sowohl 400 V als auch 800 V Batteriesysteme sind heute Stand der Technik. Es sind schaltungstechnisch auch diverse Möglichkeiten bekannt, parallele Stränge zu oder abzuschalten, was vor allem bei 400 V Systemen zum Einsatz kommt. Durch die vorliegende Erfindung wird jedoch nun ein schnelles Laden unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards zuverlässig und unter Verwendung vergleichsweise preiswerter Komponenten ermöglicht. Dazu wird unter Verwendung weniger zusätzlicher preiswerter Komponenten ein schnelles Laden bei 800 V realisiert und durch Umschalten von der 800 V- auf die 400 V-Spannungsebene ein Antrieb unter Verwendung bekannter Technik.Both 400 V and 800 V battery systems are state of the art today. In terms of circuitry, there are also various known ways of connecting or disconnecting parallel strings, which is mainly used in 400 V systems. The present invention, however, enables fast charging while maintaining the highest safety standards, reliably and using comparatively inexpensive components. For this purpose, fast charging at 800 V is implemented using a few additional, inexpensive components, and a drive using known technology is achieved by switching from the 800 V to the 400 V voltage level.

Die Module Mod 1, ..., Mod 16 sind zu zwei Teilsträngen 2, 3 mit gleicher Nennspannung verschaltet. Beide Teilstränge 2 ,3 sind hier identisch als Reihenschaltung aus acht Modulen aufgebaut. An beiden Teilsträngen 2, 3 liegt damit eine Spannung von 400V an. Sie sind an einem elektrisch positiv geladenen Ende jeweils über eine Sicherung F1, F2 mit einem Schütz 5, 6 und mit einem Vorladerelais 7, 8 verbunden. An einem elektrisch negativ geladenen Ende sind die Teilstränge 2, 3 über Strommesswiderstände SHN1, SHN2 an Kontakten eines Wechselschalters 9 angeschlossen. Ein negativ geladener externer Anschluss 4 des Batteriespeichers 1 ist über ein Schütz 10 ebenfalls an einem Kontakt des Wechselschalters 9 angeschlossen.Modules Mod 1, ..., Mod 16 are interconnected to form two sub-strings 2, 3 with the same nominal voltage. Both strands 2, 3 are constructed identically here as a series connection of eight modules. A voltage of 400V is therefore applied to both strands 2, 3. At one end that is electrically positively charged, they are each connected to a contactor 5, 6 and to a precharge relay 7, 8 via a fuse F1, F2. At an electrically negatively charged end, the partial strands 2, 3 are connected to contacts of a changeover switch 9 via current measuring resistors SHN1, SHN2. A negatively charged external connection 4 of the battery store 1 is also connected to a contact of the changeover switch 9 via a contactor 10.

Als Kern der vorliegenden Erfindung umfasst der Batteriespeicher 1 in diesem Ausführungsbeispiel ferner ein Batteriemanagementsystem BMS, das um eine Kontrolleinrichtung 12 erweitert ist, und über ein Bussystem mit den Strommesswiderständen SHN1, SHN2, sowie über ein separates Bussystem mit den Zellsensor-Schaltkreisen csc 1 ... csc 16 in den Modulen Mod 1 ... Mod 16 verbunden ist. Ferner verfügt das Batteriemanagementsystem BMS über Steuerleitungen zu den Schützen 5, 6, 10 und dem Wechselschalter 9. Diese Bus-Systeme und Steuerleitungen von den genannten Elementen zu dem Batteriemanagementsystem BMS hin sind jeweils einheitlich als gestrichelte Linien in den Abbildungen der Zeichnung wiedergegeben.As the core of the present invention, the battery storage 1 in this exemplary embodiment also comprises a battery management system BMS, which is expanded by a control device 12, and via a bus system with the current measuring resistors SHN1, SHN2, and via a separate bus system with the cell sensor circuits csc 1 .. .csc 16 is connected in modules Mod 1 ... Mod 16. The battery management system BMS also has control lines to the contactors 5, 6, 10 and the changeover switch 9. These bus systems and control lines from the elements mentioned to the battery management system BMS are each shown uniformly as dashed lines in the figures of the drawing.

2 zeigt den Schaltplan gemäß 1 in einem Hochvolt-Ladezustand. Im Stillstand des Fahrzeugs ist der Schalter 9 zur Einstellung einer Bereitschaft des Batteriespeichers 1 zur Schnellladung durch die Kontrolleinrichtung 12 in dem Batteriemanagementsystem BMS so gestellt worden, dass nun beide Teilstränge 2, 3 über einen passiven Zweig 11 gleichsinnig geladen in Reihe geschaltet sind. Damit addieren sich die Teilspannungen beider Teilstränge 2,3 zu einer Spannung von 800 V an den äußeren Klemmen 4. Zur Absicherung eines internen Schaltvorgangs müssen damit das Schütz 5 mit dem Vorladerelais 7 sowie der Schalter 10 ebenfalls auf die 800 V-Spannungsebene ausgelegt sein. 2 shows the circuit diagram according to 1 in a high-voltage state of charge. When the vehicle is at a standstill, the switch 9 for setting a readiness of the battery storage 1 for fast charging by the control device 12 in the battery management system BMS has been set so that now both sub-strings 2, 3 are connected in series via a passive branch 11, charged in the same direction. The partial voltages of both strings 2, 3 add up to a voltage of 800 V at the outer terminals 4. To protect an internal switching process, the contactor 5 with the precharge relay 7 and the switch 10 must also be designed for the 800 V voltage level.

3 gibt den Schaltplan gemäß 1 in einem zweiten Zustand wieder, in dem elektrische Energie des Batteriespeichers 1 zum Fahrbetrieb bereitgestellt ist, oder aber zum Laden an einer externen Ladevorrichtung mit 400 V-Spannungsebene. Hier sind die beiden Teilstränge 2, 3 nun durch die Kontrolleinrichtung 12 in dem Batteriemanagementsystem BMS über den Schalter 9 zueinander parallel geschaltet. Es liegen damit nun nur 400 V an den Klemmen 4 an, wobei sich die Stromflüsse aus beiden Teilsträngen 2, 3 addieren. Der Schalter 10 muss also auch für einen doppelten Stromfluss ausgelegt sein. Der Zweig 11 ist nun ohne Funktion. 3 gives the circuit diagram according to 1 again in a second state, in which electrical energy of the battery storage device 1 is provided for driving operation, or for charging on an external charging device with a 400 V voltage level. Here, the two sub-strings 2, 3 are now connected in parallel to one another by the control device 12 in the battery management system BMS via the switch 9. There are now only 400 V at terminals 4, with the current flows from the two strands 2, 3 adding up. The switch 10 must therefore also be designed for a double current flow. Branch 11 is now without function.

Ein wichtiger Punkt bei der Umsetzung des Verfahrens besteht darin, dass eine Vorladung des zweiten Strangs 3 und das Schalten des Schützes 6 des zweiten Strangs 3 nach dem Umschalten auf ein 800 V System verboten ist und technisch unterbunden ist. Diese Bedingung ist hier in der Software des Batteriemanagementsystems BMS mit hoher Priorität umgesetzt. Die Umschaltung zwischen 400 V System und 800 V System kann in diesem Ausführungsbeispiel nur bei geöffneten Schützen 5, 6 vollzogen werden.An important point in the implementation of the method is that pre-charging the second line 3 and switching the contactor 6 of the second line 3 after switching to an 800 V system is prohibited and technically prevented. This condition is implemented here with high priority in the software of the battery management system BMS. In this exemplary embodiment, switching between the 400 V system and the 800 V system can only be carried out when the contactors 5, 6 are open.

Durch vorliegende Erfindung wird ein großer Nachteil von aktuellen Systemen beseitigt, wonach bei einer Auslegung der Systeme für ein reines Elektrofahrzeug die Entscheidung getroffen werden muss, ob diese Systeme für schnelles Laden oder unter Verwendung günstiger HV Komponenten mit einer hohen Verfügbarkeit ausgelegt werden sollen. Eine bislang durchgeführte Systemauslegung ist somit eine Abwägung der Vorteile zwischen der Verwendung einer hohen Spannungsebene für schnelles Laden und dem Einsatz kostengünstigerer Leistungselektronik auf einer niedrigeren Spannungsebene. Es gab damit bislang keine Möglichkeit ein System in beide Richtungen zu optimieren. Hier schafft die vorliegende Erfindung nun Abhilfe, wobei sehr wenige zusätzliche Bauteile und auch ein vernachlässigbarer zusätzlicher Bauraum benötigt werden. Eine Integration einer erfindungsgemäßen Kontrolleinrichtung 12 in einem Batteriemanagementsystem BMS ist ebenfalls mit geringem Aufwand realisierbar. Damit wird ohne wesentlichen zusätzlichen Bauraum bei geringen Mehrkosten für Bauteile und Material eine neue Flexibilität am Lade-Eingang geschaffen, wie anhand des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels dargestellt.The present invention eliminates a major disadvantage of current systems, according to which when designing the systems for a purely electric vehicle, the decision must be made whether these systems should be designed for fast charging or using inexpensive HV components with high availability. A system design carried out so far is therefore a balance of the advantages between the use of a high voltage level for fast charging and the use of more cost-effective power electronics on a lower voltage level. So far there has been no way to optimize a system in both directions. The present invention provides a remedy here, with very few additional components and also negligible additional installation space being required. An integration of a control device 12 according to the invention in a battery management system BMS can also be implemented with little effort. This creates a new flexibility at the loading input without significant additional installation space with low additional costs for components and material, as shown on the basis of the exemplary embodiment described above.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BatteriespeicherBattery storage
22
erster Teilstrangfirst branch
33
zweiter Teilstrangsecond part of the line
44th
externe elektrische Anschlüsseexternal electrical connections
55
SchützContactor
66th
SchützContactor
77th
VorladerelaisPrecharge relay
88th
VorladerelaisPrecharge relay
99
WechselschalterToggle switch
1010
SchützContactor
1111th
Zweigbranch
1212th
Kontrolleinrichtung Control device
BMSBMS
BatteriemanagementsystemBattery management system
CSCCSC
Zellsensor-Schaltkreis bzw. Cell Sensor CircuitCell Sensor Circuit
SHN1SHN1
Strommesswiderstand / ShuntCurrent measuring resistor / shunt
SHN2SHN2
Strommesswiderstand / ShuntCurrent measuring resistor / shunt
F1F1
SicherungFuse
F2F2
SicherungFuse

Claims (7)

Kontrolleinrichtung (12) eines Batteriespeichers (1) eines Elektrofahrzeugs, wobei in dem Batteriespeicher (1) Module (Mod 1, ..., Mod 16) über Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schützen, Sicherungen (F1, F2) und Stromschienen miteinander verschaltet und mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) zur Regelung von Ladung und Entladung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (Mod 1,..., Mod 16) zu zwei Teilsträngen (2, 3) mit gleicher Nennspannung verschaltet sind, so dass der Batteriespeicher (1) durch das um die Kontrolleinrichtung (12) erweiterte Batteriemanagementsystem (BMS) zwischen der 400 V- für den Fahrbetrieb und der 800 V-Spannungsebene für ein Schnellladen umschaltbar ausgebildet ist.Control device (12) of a battery store (1) of an electric vehicle, with modules (Mod 1, ..., Mod 16) in the battery store (1) via electromechanical components, e.g. in the form of contactors, fuses (F1, F2) and busbars interconnected and connected to a battery management system (BMS) for regulating charge and discharge, characterized in that the modules (Mod 1, ..., Mod 16) are connected to form two sub-strings (2, 3) with the same nominal voltage, see above that the battery storage (1) is designed to be switchable between the 400 V voltage level for driving and the 800 V voltage level for fast charging by the battery management system (BMS) expanded by the control device (12). Kontrolleinrichtung (12) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) verbundener Schalter (9) vorgesehen ist, durch den eine Umschaltung zwischen einem 800 V und einem 400 V System an Klemmen (4) des Batteriespeichers (1) realisierbar ist.Control device (12) according to the preceding claim, characterized in that a switch (9) connected to the battery management system (BMS) is provided, by means of which a switchover between an 800 V and a 400 V system at terminals (4) of the battery storage (1 ) is feasible. Kontrolleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (9) als Wechselschalter ausgeführt ist.Control device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the switch (9) is designed as a changeover switch. Kontrolleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (9) nur im Stillstand des Fahrzeugs bedienbar ist.Control device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the switch (9) can only be operated when the vehicle is stationary. Kontrolleinrichtung (12) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (9) in einer Normal- bzw. Grundstellung das 400 V System an den Klemmen (4) des Batteriespeichers (1) aktiviert.Control device (12) according to one of the two preceding claims, characterized in that the switch (9) activates the 400 V system at the terminals (4) of the battery store (1) in a normal or basic position. Kontrolleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erweitertes Batteriemanagementsystem (BMS) über ein Bussystem mit Strommesswiderständen (SHN1, SHN2) der Teilstränge (2, 3) und über ein separates Bussystem mit den Zellsensor-Schaltkreisen (csc 1 ... csc 16) in den Modulen (Mod 1 ... Mod 16) der Teilstränge (2, 3) sowie über Steuerleitungen mit den Schützen (5, 6, 10) und dem Wechselschalter (9) verbunden ist.Control device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that an extended battery management system (BMS) via a bus system with current measuring resistors (SHN1, SHN2) of the sub-strings (2, 3) and via a separate bus system with the cell sensor circuits (csc 1 ... csc 16) in the modules (Mod 1 ... Mod 16) of the partial strings (2, 3) as well as via control lines with the contactors (5, 6, 10) and the changeover switch (9). Kontrolleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (12) in dem Batteriemanagementsystem (BMS) dazu ausgebildet ist, automatisch ein Anschließen an ein externes Ladesystem zu erkennen und den Batteriespeicher (1) in Abhängigkeit davon umzuschalten, ob der Batteriespeicher (1) zum Laden an eine 400 V- oder eine 800 V-Spannungsebene angeschlossen ist.Control device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (12) in the battery management system (BMS) is designed to automatically recognize a connection to an external charging system and to switch the battery storage (1) depending on whether the battery storage (1) is connected to a 400 V or 800 V voltage level for charging.
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