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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochvolt-Batteriespeicher, vorzugsweise einen Hochvolt-Batteriespeicher eines Elektrofahrzeugs, der eine Parallelschaltung seriell verschalteter Module aufweist, die über eine Schalt- und Kontroll-Einheit zu äußeren Anschlüssen verbunden in einem durch einen Deckel verschlossenen Gehäuse fixiert sind.
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Aktuell werden Hochvolt-Batteriespeicher entweder für automobile Anwendungen als Ersatz für einen Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinen oder für stationäre Anwendungen entwickelt und gefertigt, z.B. als Notstromversorgung oder Puffer für elektrische Leistungsspitzen. Je nach Anwendung gibt es deutliche Unterschiede bei diesen Hochvolt-Batteriespeichern. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass aktuell in den Fahrzeugen hauptsächlich 400 V Batteriespeicher zum Einsatz kommen, und bei stationären Energiespeichern dagegen 800 V Batteriespeicher.
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Da die Anzahl von Elektrofahrzeugen rasant steigt ergibt sich schon jetzt eine besondere Herausforderung dadurch, dass Hochvoltbatterien für automobile Anwendungen nach ihrem Einsatzzweck zurückgenommen werden und recycelt werden müssen. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Kapazität eines Hochvolt-Batteriespeicher zum Ende eines Betriebs auf einen Grenzwert abgesunken, wodurch die hohen Anforderungen eines automobilen Einsatzes nicht mehr zuverlässig erfüllt werden können. Dabei sind in einem derartigen Hochvolt-Batteriespeicher noch immer zahlreiche Module vorhanden, die für sich alleine unter weniger strengen Anforderungen noch weiter verwendet werden können. Aktuell werden die 400 V-Batteriespeicher in einem Recyclingprozess unter hohem Zeitaufwand zerlegt und getestete Module für ein zweites Leben in stationären Speichern auf 800 V-Ebene weiterverwendet. Hierbei besteht ein Problem darin, nur solche Module miteinander zu verschalten, die über einen vergleichbaren Alterungszustand und eine ähnlich große Rest-Kapazität verfügen. Außerdem ist der beschriebene Recyclingprozess dadurch relativ kostenintensiv, dass ein neues Gehäuse und neue HVJB-Komponenten wie BMS und Schütze usw. vorzusehen sind.
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Es besteht daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Batteriespeicher zu schaffen, der bei deutlich gesenkten Kosten in einem Recyclingprozess für ein zweites Leben in stationären Speichern auf 800 V-Ebene weiterverwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Batteriespeicher eine Parallelschaltung zweier Reihen von Modulen in Serienschaltung aufweist, die über eine Schaltvorrichtung von der Parallelschaltung in eine reine Serienschaltung umschaltbar ausgebildet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt also im Wesentlichen der Ansatz zugrunde, dass eine zeit- und arbeitsaufwändige sowie aufgrund möglicher hoher Restladungen der Module nur unter besonderen Schutzvorkehrungen durchführbare Zerlegung eines 400 V-Hochvolt-Batteriespeichers einer automotiven Anwendung so weit als möglich vermieden werden soll. Ein Alterungszustand und eine Betriebsfähigkeit von Modulen eines ausgewechselten bzw. zurückgenommenen 400 V-Hochvolt-Batteriespeichers ist in aller Regel sehr ähnlich, komplett ausgefallene Module treten in der Praxis nur selten auf. Statt eines neuen Außengehäuses wird daher erfindungsgemäß auf das bereits vorhandene Gehäuse des 400 V-Batteriespeichers zurückgegriffen, an dem nun eine Umschaltung auf ein 800 V-System durch eine rein serielle Verschaltung der Batteriemodule durch nur eine Schaltvorrichtung vorgenommen wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach ist die Schaltvorrichtung unter einer Abdeckung an einem Deckel des Gehäuses des Batteriespeichers zugänglich. Statt einer weitgehenden Demontage des vorhandenen Gehäuses mit dem Lösen zahlreicher Verschraubungen zwischen einem Deckel und einer Gehäusewanne, ist die für die Umschaltung notwendige Schaltvorrichtung über eine separate Öffnung unter einer eigenen Abdeckung an dem Deckel des Gehäuses des Batteriespeichers vergleichsweise frei und einfach zugänglich. Der große Deckel des Gehäuses des Batteriespeichers kann für die Umschaltung von der 400 V- auf die 800 V-Ebene also dicht verschlossen bleiben, wobei die für die Umschaltung zu öffnende Abdeckung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung vergleichsweise klein ausgebildet sein kann, um dennoch eine stets ausreichende Sicherheit auch bei der Umrüstung zu bieten, wie nachfolgend noch unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel dargestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltvorrichtung in Form mindestens einer Verschraubung ausgeführt. Insbesondere ist die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet, dass durch die vorhandenen Leitungen der zwei Serienschaltungen nach Auflösen der Parallelschaltung und Fixierung dieser Leitungen gemeinsam an einem Kontakt die Module in einer Serienschaltung miteinander verbunden sind. Eine derartige Schaltvorrichtung ist unter geringem Werkzeugeinsatz auf kleinem Raum realisierbar. Damit muss eine nur kleine Öffnung im Deckel des Gehäuses vorgesehen werden, die wiederum durch einen Deckel mit wenigen Verschraubungen und einer preiswerten Dichtung sicher verschließbar ist. Vorhandene Leitungen werden vorteilhafterweise direkt und i.d.R. unverändert wiederverwendet, wobei aus Sicherheitsgründen statt der bislang genutzten Schrauben neue Schrauben eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist die Öffnung mit der darunter liegenden Schaltvorrichtung im Bereich einer Hochvolt-Verteilerbox HVJB des automotiven Batteriespeichers vorgesehen. Vorteilhafterweise ist zudem vorgesehen, dass für eine Umstellung von einem 400 V- auf ein 800 V-System auszutauschende Bauteile alle so in der Hochvolt-Verteilerbox HVJB auswechselbar angeordnet sind, dass auch sie über die Öffnung unter dem Deckel der Schaltvorrichtung zugänglich sind. Vorzugsweise sind die betreffenden Bauteile durch Fixierung in Sockeln bzw. Sockelung besonders schnell und bei geringem Werkzeugaufwand austauschbar. Eine erfindungsgemäße Öffnung ist dementsprechend dimensioniert und relativ zu der Hochvolt-Verteilerbox HVJB positioniert. In jedem Fall ist eine derartige Öffnung in dem Deckel des Gehäuses deutlich kleiner als der Deckel selber, so dass ein Lösen prinzipiell schneller durchführbar ist und zudem die aus Sicherheitsgründen immer vorzusehenden Dichtungen vergleichsweise klein und damit auch preiswert ausfallen können.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Batteriemanagementsystem BMS zum Umschalten von einem 400 V- auf ein 800 V-System, oder in umgekehrter Richtung, ausgebildet, insbesondere durch ein Flashen. Entsprechende Anschlüsse sind vorteilhafterweise ebenfalls über die Öffnung unter dem Deckel der Schaltvorrichtung zugänglich.
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Vorteilhafterweise ist die Abdeckung der Öffnung an dem Deckel des Gehäuses angelenkt und/oder durch eine Verschraubung fixiert und abgedichtet.
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Durch die vorliegende Erfindung wird damit ein Hochvolt-Batteriespeicher geschaffen, der dazu ausgebildet ist, bei geringem zusätzlichen Aufwand und vergleichsweise zeitlich kurzer und einfach durchführbarer Umrüstung mit Erreichen einer Kapazitätsgrenze nach einem Einsatz in einem automobilen Anwendungsbereich bei geringem Materialeinsatz und geringem Abfall-Aufkommen in einer stationären Anwendung verwendet zu werden.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1a und 1b:
- eine dreidimensionale Ansicht eines bekannten Hochvolt-Batteriespeichers für eine automotive Anwendung mit einem vergrößertem Ausschnitt eines Hochvolt-Batteriespeichers;
- 2: einen Schaltplan einer Parallelschaltung aus zwei seriell verschalteten Modulsträngen zur Bildung eines 400 V-Systems und
- 3: den Schaltplan gemäß 2 unter Weiterbildung durch eine Schaltvorrichtung zur Einrichtung eines 800 V-Systems.
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Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne eine Beschränkung des Einsatzfeldes wird nachfolgend nur auf einen Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Aufbau aus Modulen in einem reinen Elektro-Fahrzeug eingegangen, das selber nicht weiterdargestellt ist. Eine Anpassung in umgekehrter Richtung ist insbesondere bei einer fabrik-frisch hergestellten 800V-Hochvolt-Batterie zum Einsatz in einem elektrisch betriebenen Automobil analog möglich.
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Die Skizze von 1a zeigt eine perspektivische Ansicht eines bekannten Hochvolt-Batteriespeichers 1, das für eine automotive Anwendung mit einer Ausgangsspannung von 400 V ausgelegt ist. Der Hochvolt-Batteriespeicher 1 weist ein geschlossenes Gehäuse 2 in Form eines flachen Quaders mit zahlreichen Schraubverbindungen an einer Wanne 3 auf.
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1b stellt einen vergrößerten Ausschnitt eines Hochvolt-Batteriesystems bzw. Speichers 1 dar, bei dem die Wanne 3 als Träger einer Parallelschaltung aus zwei Strängen 4 aus Modulen 5 ausgebildet ist, die miteinander seriell verschaltet sind. Die so verschalteten Module 5 sind über eine Schalt- und Kontroll-Einheit bzw. HVJB 6 zu äußeren Anschlüssen 7 an dem Gehäuse 2 verbunden, die für Hochvolt- und Niedervolt-Verbindungen getrennt ausgeführt sind. Zur Fixierung der Module 5 und als möglichst dichter Abschluss der Module 5 gegenüber einer äußeren Umgebung ist die Wanne 3 über einen hier transparent dargestellten Deckel 8 verschlossen, wobei der Deckel 8 abdichtend mit der Wanne 3 zur Bildung des dicht verschlossenen Gehäuses 2 durch eine Anzahl von Verschraubungen fixiert ist.
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Mit dem Erreichen einer Betriebsgrenze, die bei ca. 70% der ursprünglichen Kapazität des Hochvolt-Batteriesystems 1 liegt, muss das Hochvolt-Batteriesystem 1 gegen ein neues Hochvolt-Batteriesystem 1 ausgetauscht und von einem Hersteller zurückgenommen werden. Der Hersteller ist gesetzlich zum Recyclen des Hochvolt-Batteriesystems 1 verpflichtet. Aktuell wird ein zurückgenommenes Hochvolt-Batteriesystem 1 nach dem Öffnen des Gehäuses 2 fast vollständig zerlegt. Die Module 5 werden entnommen und einzeln auf ihre Funktionsfähigkeit getestet sowie eine jeweilige Rest-Kapazität hin untersucht. Nur Module 5 mit vergleichbarem Alterungszustand und ähnlicher Kapazität werden dann in einem neuen Gehäuse in einer 800 V-Verschaltung unter Verwendung einer neuen, auch auf die 800 V-Spannungsebene abgestimmten Schalt- und Kontroll-Einheit HVJB zu einem recycelten Hochvolt-Batteriesystem 1' für eine stationäre Anwendung zusammengesetzt. Bei hohem Zeitaufwand und einer nur unter hohen Sicherheitsstandards durchführbaren Demontage der zumindest teilweise geladenen Module 5 mit einem sicheren Auftrennen deren ursprünglichen elektrischen Verschaltung miteinander fallen Altmetall und in Form der für 400 V ausgelegten Schalt- und Kontroll-Einheit 6 bzw. HVJB auch Elektronik-Schrott in großem Umfang an.
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Das bekannte 400 V-Hochvolt-Batteriesystem 1 ist als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der in 1b zeichnerisch angedeuteten Weise weitergebildet, um den vorstehend beschriebenen zeitlichen Aufwand und damit verbundene hohe Kosten in einem Recyclingprozess deutlich zu senken. Dazu ist von außen erkennbar eine gestrichelt angedeutete separate Öffnung 9 unter einer eigenen Abdeckung bzw. einem Deckel 10 an dem Deckel 6 des Gehäuses 2 des Batteriespeichers 1 vorgesehen. Unter diesem Deckel 10 ist durch die Öffnung 9 eine Schaltvorrichtung 11 zugänglich. Die Schaltvorrichtung 11 ist dazu ausgebildet, den Hochvolt-Batteriespeicher 1 von einer 400 V- auf eine 800 V-Spannungsebene umzuschalten, indem eine Parallelschaltung zweier Stränge 4 aus Modulen 5 in serieller Verschaltung in eine reine Serienschaltung aller Module 5 durch Reihenschaltung der beiden Stränge 4 verschaltet wird. Dazu werden in diesem Ausführungsbeispiel nicht weiter dargestellte Verschraubungen an je einer Leitung 12 jedes der beiden Stränge 4 gelöst und an einem Kontakt 13 gemeinsam verschraubt.
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Die Skizze von 2 stellt einen Schaltplan einer Parallelschaltung aus zwei seriell verschalteten Strängen 4 der Module 5 zur Bildung eines 400 V-Systems dar, wie zu 1b beschrieben. Dieser 400 V-Batteriespeicher weist eine Parallelschaltung zweier Stränge 4 als Verschaltung von je acht Modulen 5 in Serie auf. Zur Ausführung dieser Parallelschaltung ist hier in Abwandlung eines aus dem Stand der Technik bekannten Aufbaus je eine elektrische Leitung 10 der Stränge 4 mit einer Schaltvorrichtung 11 elektrisch verbunden. Bei der in 2 dargestellten Verschraubung der Leitung 10 mit der Schaltvorrichtung 11 sind die beiden Stränge 4 mit je 400 V Strang-Spannung parallel geschaltet. An externen Anschlüssen HV-P am Gehäuse 2 steht damit auch eine Ausgangsspannung von 400 V an.
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3 zeigt den Schaltplan von 2 nach Umschaltung durch die Schaltvorrichtung 11 zur Einrichtung eines 800 V-Systems. Dazu sind nun die Leitung 12 der Stränge 4 an beiden an der Schaltvorrichtung 11 liegenden Enden von der Schaltvorrichtung 11 abgeschraubt und nun gemeinsam an einem Kontakt 13 der Schaltvorrichtung 11 durch eine neue Verschraubung elektrisch leitend und mechanisch dauerhaft fixiert worden. So addieren sich nun die Teil-Spannungen von 400 V der beiden Stränge 4 zu 800 V an den äußeren Anschlüssen 7.
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In einem nicht weiter zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Hochvolt-Batteriespeicher 1 durch eine als Wartungsklappe ausgebildete Abdeckung 10 für eine Umschaltung der HV-Batterie von der 400 V-Spannungsebene auf eine 800 V-Spannungsebene ausgebildet, indem eine dafür vorgesehene Brücke durch die Öffnung 9 im Deckel 8 des Gehäuses 2 eingesetzt wird. Hierfür wird in einem ersten Schritt bei geöffneter Wartungsklappe eine Stromschienenverbindung entfernt, welche die beiden Stränge des 400 V Speichers zuvor parallel verschaltet hat. Anschließend wird eine Brücke eingesetzt, welche die beiden Stränge 4 elektrisch in Reihe schaltet. So kann durch die Wartungsklappe in Kombination mit dem Wechsel der Verbinder gegen die Brücke relativ schnell die Spannungslage von 400 V auf 800 V umgeschaltet werden, aber auch in die andere Richtung.
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In jedem Fall ist die Wartungsklappe 10 bezüglich ihrer Anordnung in dem Deckel 8 und ihrer Größe so gestaltet, dass neben dem beschriebenen Austausch mit der Umschaltung an der Verbindung der Stromschienen auch ein Tausch einiger Komponenten in der Schalt- und Kontroll-Einheit 6 bzw. der HVJB durchgeführt werden kann. Dazu sind die in der Schalt- und Kontroll-Einheit 6 auszutauschenden Bauteile auswechselbar ausgebildet, hier in nicht weiter dargestellter Weise durch Sockelung dieser in Abhängigkeit einer jeweiligen Spanungsebene zu verwendenden Bauteile, z.B. einer Hauptsicherung F und der Vorladewiderstände PRCH, wie durch die gestrichelte Umrandung in 3 angedeutet. Die Schalt- und Kontroll-Einheit 6 mit Hochvolt-Schützen MSW, einem Shunt SHN zur Strommessung, Anschlüssen HV-P und LV-P für die Hochspannungsschienen HV sowie Niederspannungsverbindungen LV werden mit der gesamten Schalt- und Kontroll-Einheit 6 und einem Batteriemanagementsystem BMS also grundsätzlich unverändert weiterverwendet, wie auch das gesamte Gehäuse 2 mit darin enthaltenen elektrischen Verbindungen auf der Hochvolt-Ebene HV sowie Signalleitungen auf Niedervolt-Ebene LV, insbesondere analoge Steuerleitungen und Bus-Verbindungen nach den CAN-, KI15-, KI30c- oder ISO SPI-Standards sowie Verbindungsleitungen der Zellüberwachungsschaltkreise CSC, von denen je einer in jedem der Module 5 vorgesehen ist. Die bekannte zeitaufwändige Zerlegung eines Automotiv-Hochvolt-Batteriespeichers mit Abgleich der rückgeführten Module 5 zum Einsatz in kostenintensiv bereitzustellende neue Komponenten, wie ein Gehäuse und neue HVJB-Komponenten, wie BMS und Schütze, kann damit vollständig unterbleiben.
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Zusätzlich muss nach Abschluss der beschriebenen Umrüstung nur noch eine Software des Batteriemanagementsystems BMS neu geflasht werden. Anschlüsse zum Flashen des Batteriemanagementsystems BMS sind ebenfalls über die Öffnung 9 unter dem Deckel 10 im Gehäuse 2 zugänglich und hernach auch wieder sicher verschließbar angeordnet. In der beschriebenen Weise kann der 400 V Automotiv-Speicher einfach und schnell zu einem 800 V Stationär-Speicher umgebaut werden und ermöglicht so einen schnellen und kostengünstigen Einsatz als Second Life Speicher. Neben dem geringen Zeitaufwand besteht ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung darin, dass bis auf wenige Ausnahmen grundsätzlich alle Komponenten des Automotiv-HV Batteriespeichers 1 weiterverwendet werden können.
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Die vorstehend dargestellte Umschaltung kann durch einen Servicemitarbeiter mit passender Sicherheitsausrüstung nach entsprechender Fortbildung schnell und sicher durchgeführt werden. Dabei fallen nur vergleichsweise geringe Abfallmengen an, und neue Bauteile werden ebenfalls nur in einer sehr überschaubaren Anzahl benötigt. Diese Kostenvorteile rechtfertigen die vorstehend in Ausführungsbeispielen beschriebenen Änderungen und Erweiterungen sogar in Bauformen bereits existierender Hochvolt-Batteriespeicher.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvolt-Batteriespeicher / Hochvolt-Batteriesystem
- 2
- Gehäuse
- 3
- Wanne des Gehäuses 2
- 4
- Strang / Zweig aus Modulen 5 in serieller Verschaltung
- 5
- Modul aus elementaren Speicherzellen
- 6
- Schalt- und Kontroll-Einheit (HVJB)
- 7
- äußerer Anschluss
- 8
- Deckel des Gehäuses 2 zum Verschließen der Wanne 3
- 9
- separate Öffnung in dem Deckel 6
- 10
- Abdeckung/Deckel/Klappe zum Verschließen der Öffnung 9
- 11
- Schaltvorrichtung
- 12
- Leitung eines der Stränge 4
- 13
- Kontakt
- BMS
- Batteriemanagementsystem
- CSC
- Cell Supervision Circuit/Zellüberwachungsschaltkreis
- F
- Sicherung
- HVJB
- Hochvoltverteilerbox
- MSW
- Hochvolt-Schütz
- SHN
- Shunt für Strommessung
- HV
- Hochspannungsschiene
- HV-P
- Anschluss für Stecker der Hochspannungsschienen HV
- LV
- Verbindungen auf Niederspannungsebene
- LV-P
- Anschluss für Stecker für Niederspannungssignale
- PRCH
- Precharge resistor / Vorladewiderstand
