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Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer zumindest einen ersten Außenleiter aufweisenden Anschlusseinrichtung, mit einem ersten elektrischen Energiespeicher, mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher, mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungswandler aufweisenden Gleichspannungswandlereinrichtung, und mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungskonverter aufweisenden Gleichspannungskonvertereinrichtung, wobei der erste Energiespeicher durch den ersten Gleichspannungswandler elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden ist, und wobei der zweite Energiespeicher durch den ersten Gleichspannungskonverter elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiemanagementsystem.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiemanagementsystems.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu einem derartigen Energiemanagementsystem.
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Stand der Technik
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Energiemanagementsysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Plugin-Hybridfahrzeuge weisen in der Regel zumindest einen ersten elektrischen Energiespeicher und einen zweiten elektrischen Energiespeicher auf.
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Vorzugsweise unterscheidet sich dabei die Nennspannung der beiden Energiespeicher. Beispielsweise ist die Nennspannung des ersten Energiespeichers größer als die Nennspannung des zweiten Energiespeichers. Im Folgenden wird die Nennspannung des ersten Energiespeichers auch als erste Batteriespannung bezeichnet und die Nennspannung des zweiten Energiespeichers auch als zweite Batteriespannung. Um die Energiespeicher mit elektrischer Energie zu laden, weisen Elektrofahrzeuge und Plugin-Hybridfahrzeuge üblicherweise eine Anschlusseinrichtung mit zumindest einem ersten Außenleiter auf. Mittels der Anschlusseinrichtung sind die Fahrzeuge mit einem fahrzeugexternen elektrischen Versorgungsnetz elektrisch verbindbar. Hierzu ist die Anschlusseinrichtung vorzugsweise als Steckeraufnahme oder als Steckereinrichtung ausgebildet.
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Zur elektrischen Verbindung des ersten Energiespeichers mit dem ersten Außenleiter ist üblicherweise eine Gleichspannungswandlereinrichtung mit zumindest einem ersten Gleichspannungswandler vorhanden. Der erste Energiespeicher ist also durch den ersten Gleichspannungswandler elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden. Durch das Versorgungsnetz bereitgestellte elektrische Energie ist dem ersten Energiespeicher demnach mittels des ersten Außenleiters und des ersten Gleichspannungswandlers zuführbar. Zur elektrischen Verbindung des zweiten Energiespeichers mit dem ersten Außenleiter ist zudem üblicherweise eine Gleichspannungskonvertereinrichtung mit zumindest einem ersten Gleichspannungskonverter vorhanden. Der zweite Energiespeicher ist also durch den ersten Gleichspannungskonverter elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden. Durch das Versorgungsnetz bereitgestellte elektrische Energie ist dem zweiten Energiespeicher demnach mittels des ersten Außenleiters und des ersten Gleichspannungskonverters zuführbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Gleichspannungskonvertereinrichtung verglichen mit vorbekannten Lösungen kleiner dimensioniert werden kann. Hierdurch werden zum einen die Kosten für die Gleichspannungskonvertereinrichtung verringert. Zudem wird der für die Gleichspannungskonvertereinrichtung benötigte Bauraum verringert. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter bezogen auf den ersten Außenleiter parallel zueinander geschaltet sind. Der erste Gleichspannungskonverter und der erste Gleichspannungswandler sind also parallel zueinander elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden. Mittels des ersten Außenleiters bereitgestellte elektrische Energie muss demnach nicht zunächst den ersten Gleichspannungswandler durchlaufen, um dem ersten Gleichspannungskonverter zugeführt zu werden. Entsprechend muss mittels des ersten Außenleiters bereitgestellte elektrische Energie nicht zunächst den ersten Gleichspannungskonverter durchlaufen, um dem ersten Gleichspannungswandler zugeführt zu werden. Aus der erfindungsgemäßen Anordnung beziehungsweise Verschaltung folgt, dass der erste Gleichspannungskonverter mittelbar, nämlich mittels des ersten Gleichspannungswandlers, mit dem ersten Energiespeicher elektrisch verbunden ist. Bezogen auf den ersten Energiespeicher sind der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter demnach zueinander in Reihe geschaltet. Auf eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher und dem ersten Gleichspannungskonverter, also eine elektrische Verbindung unter Umgehung des ersten Gleichspannungswandlers, wird vorzugsweise verzichtet. Soll in dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem der zweite Energiespeicher durch den ersten Energiespeicher geladen werden, so stellt der erste Energiespeicher die erste Batteriespannung bereit. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung beziehungsweise Verschaltung des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Gleichspannungskonverters, liegt die erste Batteriespannung nicht unmittelbar an dem ersten Gleichspannungskonverter an, sondern an dem ersten Gleichspannungswandler. Durch diesen kann die erste Batteriespannung in eine Ausgangsspannung mit einem anderen Spannungswert gewandelt werden, wobei dann diese Ausgangsspannung dem ersten Gleichspannungskonverter zugeführt wird. Beispielsweise wandelt der erste Gleichspannungswandler die erste Batteriespannung stets in eine Ausgangsspannung mit einem Spannungswert von 400 V. Durch die erfindungsgemäße Anordnung beziehungsweise Verschaltung kann also erreicht werden, dass dem ersten Gleichspannungskonverter beim Laden des zweiten Energiespeichers mittels des ersten Energiespeichers - unabhängig von der Nennspannung des ersten Energiespeichers - stets die gleiche elektrische Spannung zugeführt wird. Der erste Gleichspannungskonverter muss dann nur diese elektrische Spannung mit hohem Wirkungsgrad auf die elektrische Nennspannung des zweiten Energiespeichers wandeln können. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den ersten Gleichspannungskonverter und den ersten Gleichspannungswandler bezogen auf den ersten Energiespeicher parallel zueinander zu schalten. Der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter sind dann bezogen auf den ersten Außenleiter zueinander in Reihe geschaltet, sodass der zweite Energiespeicher mittels des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Gleichspannungskonverters elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden ist. Soll in diesem Fall der zweite Energiespeicher mittels des ersten Energiespeichers geladen werden, so liegt die Nennspannung des ersten Energiespeichers direkt an dem ersten Gleichspannungskonverter an. Weil im Kraftfahrzeugbau erste Energiespeicher mit verschiedenen Nennspannungen üblich sind, muss in diesem Fall der erste Gleichspannungskonverter dazu ausgebildet sein, sämtliche der verschiedenen üblichen Nennspannungen mit hohem Wirkungsgrad auf die elektrische Nennspannung des zweiten Energiespeichers wandeln zu können. Daraus folgt, dass in den vorbekannten Lösungen der erste Gleichspannungskonverter in der Regel verhältnismäßig groß dimensioniert ist. Weil dem ersten Gleichspannungskonverter des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems beim Laden des zweiten Energiespeichers mittels des ersten Energiespeichers stets die gleiche Spannung zugeführt werden kann, kann der erste Gleichspannungskonverter kleiner dimensioniert werden. Unter einem Gleichspannungswandler ist eine elektrische Schaltung zu verstehen, die eine zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Auch unter einem Gleichspannungskonverter ist eine elektrische Schaltung zu verstehen, die eine zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Vorzugsweise ist der erste Energiespeicher als Hochspannungsenergiespeicher ausgebildet. Insofern weist der erste Energiespeicher eine Nennspannung von mehr als 200 V auf.
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Besonders bevorzugt weist der erste Energiespeicher eine Nennspannung von 400 V oder eine Nennspannung von 800 V auf. Alternativ dazu weist der ersten Energiespeicher vorzugsweise eine variable Nennspannung auf. Beispielsweise ist die Nennspannung über einen Betriebsbereich von 400 V bis 800 V variabel. Der zweite Energiespeicher ist vorzugsweise als Niederspannungsenergiespeicher ausgebildet. Insofern weist der zweite Energiespeicher eine Nennspannung von weniger als 20 V auf. Besonders bevorzugt weist der zweite Energiespeicher eine Nennspannung von 12 V oder 14 V auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass dem ersten Außenleiter ein erster Spannungszwischenkreis nachgeschaltet ist, wobei der erste Gleichspannungskonverter und der erste Gleichspannungswandler mittels des ersten Spannungszwischenkreises elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden sind. Die parallele Verschaltung des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Gleichspannungskonverters wird also dadurch erreicht, dass diese Elemente elektrisch mit dem ersten Spannungszwischenkreis verbunden sind. Vorzugsweise sind der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter direkt, also ohne Zwischenschaltung von sonstigen elektrischen Schaltungen, mit dem ersten Spannungszwischenkreis verbunden. Durch das Vorsehen des ersten Spannungszwischenkreises und die Verbindung des Gleichspannungswandlers sowie des Gleichspannungskonverters werden Spannungsschwankungen beim Laden der Energiespeicher mittels eines eine Wechselspannung bereitstellenden Versorgungsnetzes verringert. Vorzugsweise weist der erste Spannungszwischenkreis einen Kondensator, insbesondere Elektrolytkondensator, zur Spannungsstabilisierung auf. Vorzugsweise weist die Anschlusseinrichtung eine dem ersten Außenleiter zugeordnete erste AC/DC-Wandlereinheit auf, die zwischen dem ersten Außenleiter und dem ersten Spannungszwischenkreis angeordnet beziehungsweise geschaltet ist. Wird an den ersten Außenleiter eine Wechselspannung angelegt, so wird die Wechselspannung durch die erste AC/DC-Wandlereinheit in eine Gleichspannung gerichtet, sodass dann dem ersten Gleichspannungswandler und dem ersten Gleichspannungskonverter die gerichtete Gleichspannung zugeführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anschlusseinrichtung als Dreiphasenwechselstromanschluss mit drei Außenleitern ausgebildet ist. Die Anschlusseinrichtung weist also einen ersten Außenleiter, einen zweiten Außenleiter und einen dritten Außenleiter auf. Durch eine derartige Ausgestaltung der Anschlusseinrichtung können die Energiespeicher mit einer hohen Ladeleistung geladen werden. Vorzugsweise ist jedem der Außenleiter jeweils eine andere AC/DC-Wandlereinheit und jeweils ein anderer Spannungszwischenkreis nachgeschaltet. Die Anschlusseinrichtung weist dann also eine erste AC/DC-Wandlereinheit, eine zweite AC/DC-Wandlereinheit und eine dritte AC/DC-Wandlereinheit auf, sowie einen ersten Spannungszwischenkreis, einen zweiten Spannungszwischenkreis und einen dritten Spannungszwischenkreis.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung mehrere Gleichspannungswandler aufweist. Durch das Vorsehen der mehreren Gleichspannungswandler wird die Ladeleistung im Hinblick auf das Laden des ersten Energiespeichers gesteigert. Vorzugsweise entspricht die Anzahl an Gleichspannungswandlern der Anzahl an Außenleitern. Besonders bevorzugt sind drei Gleichspannungswandler vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gleichspannungskonvertereinrichtung mehrere Gleichspannungskonverter aufweist. Durch das Vorsehen der mehreren Gleichspannungskonverter wird die Ladeleistung im Hinblick auf das Laden des zweiten Energiespeichers gesteigert. Besonders bevorzugt sind zwei Gleichspannungskonverter vorgesehen.
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Vorzugsweise sind die Gleichspannungswandler mit dem ersten Energiespeicher einerseits und mit einem jeweils anderen der Außenleiter andererseits elektrisch verbunden. Die Gleichspannungswandler sind somit bezogen auf den ersten Energiespeicher parallel zueinander geschaltet. Besonders bevorzugt ist der erste Gleichspannungswandler mit dem ersten Außenleiter verbunden, ein zweiter der Gleichspannungswandler mit einem zweiten der Außenleiter und ein dritter der Gleichspannungswandler mit einem dritten der Außenleiter.
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Vorzugsweise sind die Gleichspannungskonverter mit dem zweiten Energiespeicher einerseits und mit einem jeweils anderen der Außenleiter andererseits elektrisch verbunden. Die Gleichspannungskonverter sind somit bezogen auf den zweiten Energiespeicher parallel zueinander geschaltet. Besonders bevorzugt ist der erste Gleichspannungskonverter mit dem ersten Außenleiter verbunden und ein zweiter der Gleichspannungskonverter mit dem zweiten Außenleiter. Sind drei Außenleiter und zwei Gleichspannungskonverter vorhanden, so ist entsprechend einer der Außenleiter nicht mit einem der Gleichspannungskonverter verbunden und insofern frei von einem Gleichspannungskonverter.
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Vorzugsweise sind die Gleichspannungswandler als Spannungswandler vom Typ Dual-Active-Bridge (DAB) ausgebildet. Dadurch sind die Gleichspannungswandler vorteilhaft geeignet um einerseits die durch das Versorgungsnetz bereitgestellte Versorgungsspannung in die Nennspannung des ersten Energiespeichers zu wandeln und andererseits die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellte Nennspannung in eine für die Gleichspannungskonverter geeignete Ausgangsspannung zu wandeln. Die Gleichspannungskonverter sind vorzugsweise als Spannungswandler vom Typ Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) ausgebildet.
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Vorzugsweise weist das Energiemanagementsystem eine Heizeinrichtung auf, die eine erste Heizeinheit aufweist, wobei die erste Heizeinheit und einer der Gleichspannungswandler bezogen auf einen der Außenleiter parallel zueinander geschaltet sind. Soll die erste Heizeinheit mit elektrischer Energie betrieben werden, die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellt wird, so ist eine derartige Anordnung beziehungsweise Verschaltung der ersten Heizeinheit besonders vorteilhaft. Dies folgt daraus, dass die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellte erste Batteriespannung zunächst dem Gleichspannungswandler zugeführt wird, sodass die erste Batteriespannung durch den Gleichspannungswandler in eine Ausgangsspannung gewandelt werden kann, die zum Betreiben der ersten Heizeinheit besonders geeignet ist.
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Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung eine zweite Heizeinheit auf, wobei die zweite Heizeinheit, einer der Gleichspannungswandler und einer der Gleichspannungskonverter bezogen auf einen der Außenleiter parallel zueinander geschaltet sind. Soll die zweite Heizeinheit mit elektrischer Energie betrieben werden, die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellt wird, so ist auch eine derartige Anordnung beziehungsweise Verschaltung der zweiten Heizeinheit besonders vorteilhaft. Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung sowohl die erste als auch die zweite Heizeinheit auf. Alternativ dazu weist die Heizeinrichtung vorzugsweise nur die erste Heizeinheit oder nur die zweite Heizeinheit auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung, die Gleichspannungskonvertereinrichtung und die Heizeinrichtung in demselben Gehäuse des Energiemanagementsystems angeordnet sind. Durch die Anordnung in dem Gehäuse sind die vorstehend genannten Komponenten einfach als Modul gemeinsam handhabbar. Vorzugsweise ist auch die Anschlusseinrichtung zumindest abschnittsweise in dem Gehäuse angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energiemanagementsystem eine Kühleinrichtung zum Kühlen von Elementen des Energiemanagementsystems aufweist, wobei die Heizeinrichtung in Wärmeleitkontakt mit einer Kühlflüssigkeit der Kühleinrichtung ist. Eine derartige Kühleinrichtung ist im Allgemeinen ohnehin in Energiemanagementsystemen vorhanden. Weil die Heizeinrichtung in Wärmeleitkontakt mit der Kühlflüssigkeit ist und insofern dazu ausgebildet ist, die Kühlflüssigkeit zu erwärmen, kann durch die Heizeinrichtung bereitgestellte Wärmeenergie mittels der Kühlflüssigkeit effektiv verteilt werden. Beispielsweise kann die Wärmeenergie zu weiteren Wärmesenken des Kraftfahrzeugs transportiert werden, um diese weiteren Wärmesenken zu erwärmen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 12 durch das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 13 dadurch aus, dass durch den ersten Energiespeicher eine elektrische erste Batteriespannung bereitgestellt wird, dass die erste Batteriespannung durch die Gleichspannungswandlereinrichtung in eine elektrische Ausgangsspannung gewandelt wird, dass die Ausgangsspannung mittels der Gleichspannungskonvertereinrichtung dem zweiten Energiespeicher zugeführt wird, und/oder dass die Ausgangsspannung der Heizeinrichtung zu deren Betrieb zugeführt wird. Weil die erste Batteriespannung nicht unmittelbar der Gleichspannungskonvertereinrichtung beziehungsweise der Heizeinrichtung zugeführt wird, sondern zunächst der Gleichspannungswandlereinrichtung, kann die erste Batteriespannung durch die Gleichspannungswandlereinrichtung in eine Ausgangsspannung gewandelt werden, die für die Zuführung zu der Gleichspannungskonvertereinrichtung beziehungsweise zum Betrieb der Heizeinrichtung besonders geeignet ist. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 14 dadurch aus, dass die Anschlusseinrichtung elektrisch mit einem Versorgungsnetz verbunden wird, dass durch das Versorgungsnetz eine Versorgungsspannung bereitgestellt wird, dass die Versorgungsspannung mittels der Gleichspannungswandlereinrichtung dem ersten Energiespeicher zugeführt wird, dass die Versorgungsspannung mittels der Gleichspannungskonvertereinrichtung dem zweiten Energiespeicher zugeführt wird, und/oder dass die Versorgungsspannung der Heizeinrichtung zu deren Betrieb zugeführt wird. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
- 1 ein Energiemanagementsystem in einer schematischen Darstellung,
- 2 ein Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems,
- 3 ein weiteres Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems,
- 4 ein weiteres Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems,
- 5 ein Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem,
- 6 ein weiteres Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem und
- 7 ein weiteres Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Energiemanagementsystem 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist einen ersten elektrischen Energiespeicher 2 auf. Bei dem ersten Energiespeicher 2 handelt es sich um einen Hochspannungsenergiespeicher 2. Der erste Energiespeicher 2 weist vorliegend eine Nennspannung von 800 V auf. Die Nennspannung des ersten Energiespeichers 2 wird im Folgenden auch als erste Batteriespannung bezeichnet.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem einen zweiten elektrischen Energiespeicher 3 auf. Bei dem zweiten Energiespeicher 3 handelt es sich um einen Niederspannungsenergiespeicher 3. Der zweite Energiespeicher 3 weist vorliegend eine Nennspannung von 14 V auf. Die Nennspannung des zweiten Energiespeichers 3 wird im Folgenden auch als zweite Batteriespannung bezeichnet.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Anschlusseinrichtung 4 auf. Die Anschlusseinrichtung 4 ist als Dreiphasenwechselstromanschluss 4 mit drei Außenleitern L1, L2 und L3 ausgebildet. Mittels der Anschlusseinrichtung 4 ist das Energiemanagementsystem 1 mit einem externen elektrischen Versorgungsnetz elektrisch verbindbar. Ist die Anschlusseinrichtung 4 als Steckeraufnahme ausgebildet, so wird hierzu eine elektrisch mit dem Versorgungsnetz verbundene Steckereinrichtung in die Anschlusseinrichtung 4 eingesteckt. Jeder der Außenleiter L1, L2 und L3 weist jeweils einen Filter 5, 6 beziehungsweise 7 auf.
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Jedem der Außenleiter L1, L2 und L3 ist jeweils eine AC/DC-Wandlereinheit 8, 9 beziehungsweise 10 zugeordnet. Eine erste AC/DC-Wandlereinheit 8 der AC/DC-Wandlereinheiten ist dem ersten Außenleiter L1 nachgeschaltet. Eine zweite AC/DC-Wandlereinheit 9 der AC/DC-Wandlereinheiten ist dem zweiten Außenleiter L2 nachgeschaltet. Eine dritte AC/DC-Wandlereinheit 10 der AC/DC-Wandlereinheiten ist dem dritten Außenleiter L3 nachgeschaltet. Die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 sind dazu ausgebildet, eine an den Außenleitern L1, L2 und L3 anliegende elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln beziehungsweise die Wechselspannung zu richten. Vorliegend sind die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 jeweils als einphasiger L-N Gleichrichter mit Power-Factor-Correction-Stufe (PFC-Stufe) ausgebildet.
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Den AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 ist jeweils ein Spannungszwischenkreis 11, 12 beziehungsweise 13 nachgeschaltet. Ein erster Spannungszwischenkreis 11 ist der ersten AC/DC-Wandlereinheit 8 nachgeschaltet. Ein zweiter Spannungszwischenkreis 12 ist der zweiten AC/DC-Wandlereinheit 9 nachgeschaltet. Ein dritter Spannungszwischenkreis 13 ist der dritten AC/DC-Wandlereinheit 10 nachgeschaltet. Jeder der Spannungszwischenkreise 11, 12 und 13 weist jeweils einen nicht dargestellten Elektrolytkondensator zur Stabilisierung auf.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Gleichspannungswandlereinrichtung 14 auf. Die Gleichspannungswandlereinrichtung 14 weist eine der Anzahl an Außenleitern entsprechende Anzahl an Gleichspannungswandlern auf. Insofern sind ein erster Gleichspannungswandler 15, ein zweiter Gleichspannungswandler 16 und ein dritter Gleichspannungswandler 17 vorhanden. Die Gleichspannungswandler 15, 16 und 17 sind jeweils als Spannungswandler vom Typ Dual-Active-Bridge (DAB) ausgebildet.
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Durch den ersten Gleichspannungswandler 15 ist der erste Energiespeicher 2 elektrisch mit dem ersten Außenleiter L1 verbunden. Durch den zweiten Gleichspannungswandler 16 ist der erste Energiespeicher 2 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Durch den dritten Gleichspannungswandler 17 ist der erste Energiespeicher 2 elektrisch mit dem dritten Außenleiter L3 verbunden. Dabei ist der erste Gleichspannungswandler 15 mittels des ersten Spannungszwischenkreises 11 elektrisch mit dem ersten Außenleiter L1 verbunden. Der zweite Gleichspannungswandler 16 ist mittels des zweiten Spannungszwischenkreises 12 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Der dritte Gleichspannungswandler 17 ist mittels des dritten Spannungszwischenkreises 13 elektrisch mit dem dritten Außenleiter L3 verbunden. Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind die Gleichspannungswandler 15, 16 und 17 parallel zueinander geschaltet.
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Die Gleichspannungswandler 15, 16 und 17 sind durch ein erstes EMV-Filter 18 elektrisch mit dem ersten Energiespeicher 2 verbunden.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Gleichspannungskonvertereinrichtung 19 auf. Die Gleichspannungskonvertereinrichtung 19 weist einen ersten Gleichspannungskonverter 20 und einen zweiten Gleichspannungskonverter 21 auf. Die Gleichspannungskonverter 20 und 21 sind jeweils als Spannungswandler vom Typ Phase-Shifted-Bridge (PSFB) ausgebildet.
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Durch den ersten Gleichspannungskonverter 20 ist der zweite Energiespeicher 3 elektrisch mit dem ersten Außenleiter L1 verbunden. Durch den zweiten Gleichspannungskonverter 21 ist der zweite Energiespeicher 3 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Dabei ist der erste Gleichspannungskonverter 20 mittels des ersten Spannungszwischenkreises 11 elektrisch mit dem ersten Außenleiter L1 verbunden. Der zweite Gleichspannungskonverter ist mittels des zweiten Spannungszwischenkreises 12 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Bezogen auf den zweiten Energiespeicher 3 sind die Gleichspannungskonverter 20 und 21 parallel zueinander geschaltet.
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Es sind also sowohl der erste Gleichspannungswandler 15 als auch der erste Gleichspannungskonverter 20 elektrisch mit dem ersten Spannungszwischenkreis 11 verbunden. Insofern sind der erste Gleichspannungswandler 15 und der erste Gleichspannungskonverter 20 bezogen auf den ersten Außenleiter L1 parallel zueinander geschaltet. Entsprechendes gilt für den zweiten Gleichspannungswandler 16 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21 bezogen auf den zweiten Außenleiter L2.
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Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind der erste Gleichspannungswandler 15 und der erste Gleichspannungskonverter 20 zueinander in Reihe geschaltet. Der erste Gleichspannungskonverter 20 ist also mittels des ersten Gleichspannungswandlers 15 elektrisch mit dem ersten Energiespeicher 2 verbunden. Auf eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem ersten Gleichspannungskonverter 20 und dem ersten Energiespeicher 2 wird verzichtet. Entsprechendes gilt für den zweiten Gleichspannungswandler 16 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21.
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Die Gleichspannungskonverter 20 und 21 sind durch ein zweites EMV-Filter 22 elektrisch mit dem zweiten Energiespeicher 3 verbunden.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Heizeinrichtung 23 auf. Die Heizeinrichtung 23 weist eine erste Heizeinheit 24 und eine zweite Heizeinheit 25 auf. Gemäß einem nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel weist die Heizeinrichtung 23 nur die erste Heizeinheit 24 oder die zweite Heizeinheit 25 auf.
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Die erste Heizeinheit 24 ist elektrisch mit dem dritten Spannungszwischenkreis 13 verbunden. Insofern sind die erste Heizeinheit 24 und der dritte Gleichspannungswandler 17 bezogen auf den dritten Außenleiter L3 parallel zueinander geschaltet. Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind der dritte Gleichspannungswandler 17 und die erste Heizeinheit 24 zueinander in Reihe geschaltet.
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Die zweite Heizeinheit 25 ist elektrisch mit dem zweiten Spannungszwischenkreis 12 verbunden. Insofern sind die zweite Heizeinheit 25, der zweite Gleichspannungswandler 16 und der zweite Gleichspannungskonverter 21 bezogen auf den zweiten Außenleiter L2 parallel zueinander geschaltet. Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind der zweite Gleichspannungswandler 16 und die zweite Heizeinheit 25 zueinander in Reihe geschaltet.
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Die Heizeinrichtung 23 weist außerdem eine Schalteinrichtung 26 auf. Die Schalteinrichtung 26 ist dazu ausgebildet, die Heizeinheiten 24 und 25 wahlweise elektrisch von den Spannungszwischenkreisen 12 beziehungsweise 13 zu trennen oder elektrisch mit den Spannungszwischenkreisen 12 beziehungsweise 13 zu verbinden. Hierzu weist die Schalteinrichtung 26 zumindest ein der ersten Heizeinheit 24 zugeordnetes erstes Schaltelement und zumindest ein der zweiten Heizeinheit 25 zugeordnetes zweites Schaltelement auf. Die Schaltelemente sind jeweils beispielsweise als MOSFET oder als Relais ausgebildet.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine nicht dargestellte Kühleinrichtung zum Kühlen von verschiedenen Elementen des Energiemanagementsystems 1 auf. Beispielsweise ist die Kühleinrichtung dazu ausgebildet, die Gleichspannungswandlereinrichtung 14, die Gleichspannungskonvertereinrichtung 19, die Anschlusseinrichtung 4 und/oder die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 zu kühlen. Die Heizeinheiten 24 und 25 sind in Wärmeleitkontakt mit einer Kühlflüssigkeit der Kühleinrichtung, sodass im Betrieb der Heizeinheiten 24 und 25 die Kühlflüssigkeit erwärmt wird. Mittels der Kühlflüssigkeit kann durch die Heizeinheiten 24 und 25 bereitgestellte Wärmeenergie auch zu weiteren Wärmesenken des Kraftfahrzeugs transportiert werden, um diese weiteren Wärmesenken zu erwärmen.
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Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem ein Gehäuse 27 auf. In dem Gehäuse 27 sind die Gleichspannungswandlereinrichtung 14, die Gleichspannungskonvertereinrichtung 19 und die Heizeinrichtung 23 angeordnet. Vorliegend sind auch die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 in dem Gehäuse 27 angeordnet. Die Anschlusseinrichtung 4 ist abschnittsweise derart in dem Gehäuse 27 angeordnet, dass die Außenleiter L1, L2 und L3 von außerhalb des Gehäuses 27 zugänglich sind. Durch die Anordnung in dem Gehäuse 27 sind die vorstehend genannten Elemente des Energiemanagementsystems 1 einfach als Baugruppe handhabbar.
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Im Folgenden werden mit Bezug auf die 2 bis 4 verschiedene Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems 1 näher erläutert. Die in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele haben dabei gemeinsam, dass durch den ersten Energiespeicher 2 die erste Batteriespannung bereitgestellt wird, die vorliegend einen Spannungswert von 800 V aufweist. Die Filter 5, 6 und 7 sowie die EMV-Filter 18 und 22 sind in den 2 bis 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird mittels der bereitgestellten ersten Batteriespannung der zweite Energiespeicher 3 geladen. Hierzu wandeln die Gleichspannungswandler 15 und 16 die erste Batteriespannung in eine Ausgangsspannung von 400 V. Diese Ausgangsspannung wird dann den Gleichspannungskonvertern 20 und 21 zugeführt und durch die Gleichspannungskonverter 20 und 21 in eine Spannung gewandelt, die der Nennspannung des zweiten Energiespeichers 3 entspricht.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Teil der bereitgestellten ersten Batteriespannung der ersten Heizeinheit 24 zu deren Betrieb zugeführt wird. Hierzu ist das der ersten Heizeinheit 24 zugeordnete Schaltelement gemäß diesem Ausführungsbeispiel leitend. Der dritte Gleichspannungswandler 17 wandelt die durch den ersten Energiespeicher 2 bereitgestellte erste Batteriespannung in die Ausgangsspannung von 400 V. Die Ausgangsspannung wird dann der ersten Heizeinheit 24 zu deren Betrieb zugeführt.
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Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Teil der bereitgestellten ersten Batteriespannung auch der zweiten Heizeinheit 25 zu deren Betrieb zugeführt wird. Dass der zweiten Heizeinheit 25 zugeordnete Schaltelement ist demnach gemäß diesem Ausführungsbeispiel leitend.
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Im Folgenden werden mit Bezug auf die 5 bis 7 verschiedene Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem 1 näher erläutert. Die in den 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele haben dabei gemeinsam, dass die Anschlusseinrichtung 4 elektrisch mit einem nicht dargestellten Versorgungsnetz verbunden ist. Durch das Versorgungsnetz wird als Versorgungsspannung eine Wechselspannung in Höhe von 400 V bereitgestellt. Diese Wechselspannung liegt an jedem der Außenleiter L1, L2 und L3 an. Die Filter 5, 6 und 7 sowie die EMV-Filter 18 und 22 sind in den 5 bis 7 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden durch die bereitgestellte Versorgungsspannung der erste Energiespeicher 2 und der zweite Energiespeicher 3 geladen. Hierzu wird dem ersten Energiespeicher 2 elektrische Energie mittels des ersten Gleichspannungswandlers 15, des zweiten Gleichspannungswandler 16 und des dritten Gleichspannungswandlers 17 zugeführt. Dem zweiten Energiespeicher 3 wird elektrische Energie mittels des ersten Gleichspannungskonverters 20 und des zweiten Gleichspannungskonverters 21 zugeführt.
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Auch gemäß dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem zweiten Energiespeicher 3 elektrische Energie durch den ersten Gleichspannungskonverter 20 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21 zugeführt. Dem ersten Energiespeicher 2 wird lediglich durch den ersten Gleichspannungswandler 15 und den zweiten Gleichspannungswandler 16 elektrische Energie zugeführt. Der dritte Gleichspannungswandler 17 ist inaktiv beziehungsweise nichtleitend. Gemäß dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das der ersten Heizeinheit 24 zugeordnete Schaltelement leitend. Insofern wird durch den dritten Außenleiter L3 zugeführte elektrische Energie der ersten Heizeinheit 24 zu deren Betrieb zugeführt.
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Auch Gemäß dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem zweiten Energiespeicher 3 elektrische Energie durch den ersten Gleichspannungskonverter 20 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21 zugeführt. Dem ersten Energiespeicher 2 wird lediglich durch den ersten Gleichspannungswandler 15 elektrische Energie zugeführt. Der zweite Gleichspannungswandler 16 und der dritte Gleichspannungswandler 17 sind inaktiv beziehungsweise nichtleitend. Gemäß dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch das der zweiten Heizeinheit 25 zugeordnete Schaltelement leitend. Insofern wird durch den zweiten Außenleiter L2 zugeführte elektrische Energie anteilig dem zweiten Gleichspannungskonverter 21 und anteilig der zweiten Heizeinheit 25 zu deren Betrieb zugeführt.
