DE102021001069A1

DE102021001069A1 - Stromverteilungsanordnung für ein Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102021001069A1
Application number: DE102021001069.8A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Stromverteilungsanordnung für ein Elektrofahrzeug, mit einer zur Stromversorgung eines Traktionsmotors des Fahrzeugs dienenden Hochspannunqsbatterie (1) und mindestens zwei DC/DC-Wandlern (7, 9), deren jeweilige Eingänge Teilspannungen verschiedener Zellgruppen (1a, 1b) der Hochspannungsbatterie (1) abgreifen und deren Ausgänge zur Stromversorgung eines Niederspannungskreises des Fahrzeugs parallel verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromverteilungsanordnung für ein Elektrofahrzeug, das einen Hochspannungskreis mit einer Hochspannungsbatterie und einen Niederspannungskreis aufweist.
Elektrische und elektronische Systeme in einem Elektrofahrzeug (EV) arbeiten meist mit unterschiedlichen Spannungspegeln. Typischerweise wird für den Traktionsmotor und andere Hochleistungsvorrichtungen eine hohe Spannung verwendet (zum Beispiel 48V bis 800V), wohingegen die anderen Systeme in dem Fahrzeug, insbesondere auch die elektronischen Steuereinheiten, mit Niederspannung arbeiten, typischerweise mit 12V, wie auch in herkömmlichen Fahrzeugen. Für Sonderzwecke werden manchmal auch mehr als zwei Spannungssysteme in dem elektrischen Stromversorgungssystem des Fahrzeugs benutzt.
Die Energie in dem Elektrofahrzeug wird in einer wiederaufladbaren Hochspannungsbatterie gespeichert, typischerweise einer Lithium-Ionen-Batterie, die eine Vielzahl seriell geschalteter Einzelzellen aufweist. Diese Hochspannung wird durch einen DC/DC-Wandler (Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler) auf andere niedrigere Spannungspegel umgewandelt (zum Beispiel 12V). Meistens ist auch eine 12V-Niederspannungsbatterie in dem 12V-System enthalten, und zwar hauptsächlich aus zwei Gründen:

1) zum Puffern des 12V-Systems gegenüber hohen Belastungen, insbesondere solche Vorrichtungen, die von dem 12V-System versorgt werden, aber viel Energie benötigen, wie zum Beispiel die elektrische Lenkung.
2) um dem 12V-System Redundanz zu verleihen, falls die Energieversorgung durch den DC/DC-Wandler ausfällt.

Das Niederspannungssystem versorgt auch sicherheitskritische Vorrichtungen wie etwa Airbags, Gurtstraffer oder Stabilitätssteuersysteme, und auch diese sollten in der Lage sein, mit Einzelausfällen in der Stromversorgung zurechtzukommen.
1 zeigt ein typisches Layout der herkömmlichen Energieverteilung in einem solchen Elektrofahrzeug mit einer Hochspannungsbatterie A, einer Niederspannungsbatterie B und einem DC/DC-Wandler C.
Für die 12V-Batterie werden typischerweise übliche Blei-Säure-Batterien verwendet, die eine begrenzte Lebensdauer haben und auch sehr schwer sind. Obwohl auch modernere Technologien verwendet werden, erhöht diese Batterie die Gesamtkosten des Systems.
Zwar werden auch andere Stromverbraucher als Hochspannungskomponenten konfiguriert, die direkt von dem Hochspannungssystem versorgt werden können, was die Leistungsanforderung an die DC/DC-Wandler reduziert, aber es bleibt der Bedarf nach Redundanz für die Niederspannungsstromversorgung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stromverteilungsanordnung für ein eine Hochspannungsbatterie enthaltendes Elektrofahrzeug anzugeben, die bei gleichmäßiger Belastung der Hochspannungsbatterie ohne gesonderte Niederspannungsbatterie auskommt und eine redundante Stromversorgung des Niederspannungssystems ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Stromverteilunqsanordnung für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
Die Stromverteilungsanordnung enthält eine zur Stromverteilung des Traktionsmotors des Fahrzeugs dienende Hochspannungsbatterie und mindestens zwei DC/DC-Wandler, deren jeweilige Teilspannungen verschiedene Zellgruppen der Hochspannungsbatterie abgreifen, und deren Ausgänge zur Stromversorgung eines Niederspannungskreises des Fahrzeugs parallel verbunden sind.
Die Niederspannungen am Ausgang der DC/DC-Wandler erzeugen massefreie Spannungen und können daher mit dem Niederspannungssystem einzeln verbunden werden, um für Redundanz zu sorgen.
Zum Beispiel hat die Hochspannungsbatterie einen oder mehrere Abgriffe an einem zwischenliegenden Spannungspegel. Zum Beispiel hat eine 400V-Traktionsbatterie auch einen Abgriff bei 200V, was zwei unterschiedliche Spannungen ergibt, nämlich 0V bis 200V und 200V bis 400V, die jeweils von einem der beiden DC/DC-Wandler abgegriffen werden.
Bevorzugt sind die Eingänge der DC/DC-Wandler mit einander nicht überschneidenden Zellqruppen der Hochspannungsbatterie verbunden, und weiter sind bevorzugt die Anzahlen der mit einem jeweiligen der DC/DC-Wandler verbundenen Zellen jeder Zellgruppe gleich. Dies führt zu einer gleichmäßigen Belastung der verschiedenen Zellgruppen der Hochspannungsbatterie, und ferner können DC/DC-Wandler mit gleicher Leistungsfähigkeit benutzt werden, was die Herstellung vereinfacht.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die von den DC/DC-Wandlern abgegriffenen Teilspannungen der Hochspannungsbatterie den gesamten Spannungsbereich der Hochspannungsbatterie abdecken, und weiter bevorzugt Eingänge der DC/DC-Wandler jeweils mit einem der Endpole der Hochspannungsbatterie und gemeinsam mit einem zwischen den Endpolen liegenden Mittelabgriff der Hochspannungsbatterie verbunden sind.
Um eine wechselseitige Beeinflussung der DC/DC-Wandler zu vermeiden, sind bevorzugt gleichpolige Ausgänge der jeweiligen DC/DC-Wandler vor ihrem Zusammenschluss zum Niederspannungskreis jeweils mit einem Rückstrom verhindernden Bauelement, zum Beispiel einer Diode, verbunden.
Auch besteht die Möglichkeit eines Spannungsausgleichs zwischen einzelnen Zellgruppen der Hochspannungsbatterie, wenn über zumindest einen DC/DC-Wandler Strom aus einer besser geladenen Zellgruppe der Hochspannungsbatterie zu einer weniger gut geladenen anderen Zellgruppe der Hochspannungsbatterie überführt wird, und hierdurch ein guter Ladungsausgleich zwischen den Zellgruppen der Hochspannungsbatterie erzielt werden kann.
Die beigefügte 2 zeigt eine typische Anordnung einer erfindungsgemäßen redundanten Niederspannungsstromversorgung.
Eine wiederaufladbare Hochspannungsbatterie 1 (zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie) enthält einen positiven Endpol 3 und einen negativen Endpol 5, die über eine Hochleistungssteuerschaltung mit einem Traktionsmotor des Fahrzeugs (nicht dargestellt) zu verbinden sind. Der positive Pol 3 der Hochspannungsbatterie ist mit dem positiven Eingang eines ersten DG/DG-Wandlers 7 verbunden, und der negative Pol 5 der Hochspannungsbatterie mit dem negativen Eingang eines zweiten DC/DC-Wandlers 9. Der negative Eingang des ersten DC/DC-Wandlers 7 und der positive Eingang des zweiten DC/DC-Wandlers 9 sind mit einem gemeinsamen Mittelabgriff 11 der Hochspannungsbatterie 1 verbunden. Die Anzahl der Batteriezellen 1a zwischen dem positiven Pol 3 und dem Mittelabgriff 11 der Hochspannungsbatterie 1 ist hier gleich der Anzahl der Zellen 1b zwischen dem negativen Endpol 5 der Hochspannungsbatterie und dem Mittelabgriff 11. Die positiven Ausgänge beider DC/DC-Wandler 7, 9 sind über eine jeweilige Diode 13, 15 mit dem positiven Pol 17 des Niederspannungskreises verbunden, während die negativen Ausgänge der beiden DC/DC-Wandler 7, 9 gemeinsam mit dem negativen Pol 19 des Niederspannungskreises verbunden sind.
Hier sind die Dioden 13, 15 separat von den DC/DC-Wandlern 7, 9 gezeigt, aber sie können auch in diese integriert sein. Die Polung der Hoch- und Niederspannungskreise kann auch entgegengesetzt sein. Die Anzahl der DC/DC-Wandler kann auch drei oder mehr betragen, die dann jeweils verschiedenen Zellgruppen der Hochspannungsbatterie zugeordnet sind.
Die oben beschriebene Stromverteilungsanordnung kommt ohne Niederspannungsbatterie aus, was Gewicht und Platz spart. Auch ist ein kleiner DC/DC-Wandler deutlich kostengünstiger als eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie.
Die beiden oder mehr DC/DC-Wandler 7, 9 könnten auch einen Spannungsausgleich der Zellgruppen 1a, 1b der Hochspannungsbatterie durchführen, indem zum Beispiel elektrische Energie von nur jenem DC/DC-Wandler abgezogen wird, der mit der höher geladenen Zellgruppe, 1a oder 1 b, der Hochspannungsbatterie 1 verbunden ist.
Der Niederspannunqskreis wird typischerweise mit einer Spannung von 12V versorgt, damit Bauteile des elektrischen Systems mit jenen nicht elektrisch angetriebener Fahrzeugen kompatibel sind. Im Übrigen könnten auch noch weitere Spannungspegel in den DC/DC-Wandlern erzeugt werden, zum Beispiel 5V, um weitere Spannunqswandler in der elektronischen Steuerung zu erübrigen und Kosten zu sparen.
Das Elektrofahrzeug kann ein Land-, Wasser oder Luftfahrzeug sein, z.b. ein PKW, LKW, Motorrad, Roller oder dergleichen.

Claims

Stromverteilungsanordnung für ein Elektrofahrzeug, mit einer zur Stromversorgung eines Traktionsmotors des Fahrzeugs dienenden Hochspannungsbatterie (1) und mindestens zwei DC/DC-Wandlern (7, 9), deren jeweilige Eingänge Teilspannungen verschiedener Zellgruppen (1a, 1b) der Hochspannungsbatterie (1) abgreifen und deren Ausgänge zur Stromversorgung eines Niederspannungskreises des Fahrzeugs parallel verbunden sind.
Stromverteilungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Eingänge der DC/DC-Wandler (7, 9) mit einander nicht überschneidenden Zellgruppen (1a, 1b) der Hochspannungsbatterie (1) verbunden sind.
Stromverteilungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahlen der mit einem jeweiligen DC/DC-Wandler (7, 9) verbundenen Zellen jeder Zellgruppe (1a, 1b) gleich sind.
Stromverteilungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die von den DC/DC-Wandlern (7, 9) abgegriffenen Teilspannungen der Hochspannungsbatterie (1) den gesamten Spannungsbereich der Hochspannungsbatterie (1) abdecken.
Stromverteilungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingänge der DC/DC-Wandler (7, 9) jeweils mit einem der Endpole (3, 5) der Hochspannungsbatterie (1) und gemeinsam mit einem zwischen den Endpolen (3, 5) liegenden Mittelabgriff (11) der Hochspannungsbatterie (1) verbunden sind.
Stromverteilungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gleichpoligen Ausgänge der jeweiligen DC/DC-Wandler (7, 9) vor ihrem Zusammenschluss zum Niederspannungskreis jeweils ein Rückstrom verhinderndes Bauelement (13, 15), insbesondere eine Diode, enthalten.
Stromverteilungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu ausgelegt ist, um über zumindest einen der DC/DC-Wandler (7, 9) Strom aus einer besser geladenen Zellgruppe der Hochspannungsbatterie (1) zu einer weniger gut geladenen anderen Zellgruppe zu überführen.
Elektrofahrzeug mit einer Stromverteilungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.