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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilervorrichtung für ein Verteilen elektrischer Leistung von wenigstens zwei Batterie-Submodulen an Leistungsverbraucher, ein Batterie-Submodul für den Anschluss an eine solche Verteilervorrichtung, ein Batteriesystem mit einer solchen Verteilervorrichtung und Batterie-Submodulen sowie ein Kontrollverfahren für die Kontrolle einer elektrischen Leistungsverteilung mit einer solchen Verteilervorrichtung.
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Es ist bekannt, dass Fahrzeuge mit Batterievorrichtungen ausgestattet sind, um die Leistungsanforderung von Leistungsverbrauchern des Fahrzeugs abdecken zu können. Bei klassischen Automobilen handelt es sich hierbei häufig um sogenannte 12 Volt-Batterievorrichtungen. Auch ist es bekannt, andere Spannungsklassen für die Batterievorrichtungen einzusetzen. So sind zum Beispiel 48 Volt-Batterievorrichtungen ebenfalls bekannt. Ebenfalls werden unterschiedliche Fahrzeuge nicht nur mit unterschiedlichen Spannungen, sondern insbesondere auch mit unterschiedlichen Kapazitäten betrieben. Je nachdem, wie groß der elektrische Leistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher im Fahrzeug ist, ist entsprechend auch eine höhere Leistungskapazität der Batterievorrichtung notwendig. Als Leistungsverbraucher sind dabei insbesondere Leistungsverbraucher zu verstehen, welche für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei solchen Leistungsverbrauchern auch um Nebenverbraucher wie eine Klimatisierung, elektrische Teilsysteme, Kontrollsysteme oder Ähnliches beim Fahrzeug handeln.
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Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass mit zunehmender Entwicklung von unterschiedlichen Fahrzeugen die Bandbreite der benötigten Kapazitäten für die Batterievorrichtungen, deutlich zunimmt. Dies führt dazu, dass die Komplexität hinsichtlich ihrer Kapazität unterschiedlichen Batterievorrichtungen ebenfalls zunimmt, wodurch die Flexibilität in der Fertigung sinkt und die Kosten steigen. Auch der Austausch von solchen Batterievorrichtungen ist sehr aufwendig, da auch beim Defekt einzelner Zellen immer die vollständige Batterievorrichtung ausgetauscht werden muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine hohe Nutzungsflexibilität von Batterievorrichtungen für unterschiedliche Fahrzeugarten und Fahrzeugtypen zur Verfügung zu stellen.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Verteilervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Batterie-Submodul mit den Merkmalen des Anspruchs 12, ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Batterie-Submodul, einem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Erfindungsgemäß wird eine Verteilvorrichtung vorgeschlagen, für ein Verteilen von elektrischer Leistung von wenigstens zwei Batterie-Submodulen an Leistungsverbraucher. Für diese Funktionalität weist die Verteilervorrichtung wenigstens einen Leistungsausgang für einen elektrischen Anschluss der Leistungsverbraucher auf. Weiter ist die Verteilervorrichtung mit wenigstens zwei Leistungseingängen ausgestattet zum parallelen elektrischen Anschluss von je einem Batterie-Submodul. Mithilfe einer elektrischen Verbindungseinheit wird eine elektrische Verbindung zwischen den wenigstens zwei Leistungseingängen und dem wenigstens einen Leistungsausgang zur Verfügung gestellt. Weiter ist ein zentrales Kontrollmodul vorgesehen, für eine gemeinsame Kontrolle der elektrischen Leistungsverteilung von allen angeschlossenen Batterie-Submodulen mit wenigstens einem Kommunikationsanschluss zur Kommunikation mit den angeschlossenen Batterie-Submodulen. Jeder Leistungseingang weist ein Schaltelement zum elektrischen Schalten des Anschlusses an das jeweilige Batterie-Submodul auf.
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Der wenigstens eine Kommunikationsanschluss kann als zentraler, gemeinsamer Kommunikationsanschluss, wie später noch erläutert, ausgebildet sein. Jedoch sind auch zwei oder mehr parallele Kommunikationsanschlüsse im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
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Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, dass nun eine Kombination von wenigstens zwei Batterie-Submodulen eingesetzt wird, um in modularer Weise unterschiedliche Kapazitäten für Leistungsverbraucher zur Verfügung stellen zu können. Das Minimum sind dabei zwei solcher Batterie-Submodule, welche insbesondere identische oder im Wesentlichen identische elektrische Leistungskapazitäten aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht weiter darauf, dass die Intelligenz in der Kontrolle der diversen Batterie-Submodule nicht in den einzelnen Batterie-Submodulen vorgesehen ist, sondern vielmehr in die zentrale Verteilervorrichtung, welche auch als Traktionsnetzverteiler beschrieben werden kann, integriert wird. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei welchen entweder spezifisch für die jeweils notwendige Kapazität eine Batterievorrichtung entwickelt und gefertigt werden musste, oder die Variante, dass bestehende Batterievorrichtungen miteinander kombiniert werden und auf diese Weise jede einzelne Batterievorrichtung für sich selbst voll funktionsfähig sein musste, wird bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung nun eine Reduktion der Kosten und eine erhöhte Einsatzfunktionalität möglich. Dies wird insbesondere dann ersichtlich, wenn man die Einsatzmöglichkeiten für unterschiedliche Fahrzeugtypen näher betrachtet.
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Beispielsweise ist es nun möglich, eine Verteilervorrichtung vorzusehen, welche an eine größere Anzahl von Batterie-Submodulen anschließbar ist. Die Verteilervorrichtung weist dabei insbesondere kostenintensive Bauteile wie das Kontrollmodul auf, um eine zentrale und übergeordnete Kontrolle für alle angeschlossenen Batterie-Submodule gewährleisten zu können. Im Umkehrschluss sind die einzelnen Batterie-Submodule entsprechend einfacher ausgestaltbar. Insbesondere kann darauf verzichtet werden, dass jedes Batterie-Submodul eine eigene Kontrollvorrichtung aufweist. Mit anderen Worten können die einzelnen Batterie-Submodule kostengünstig auf die Funktionalität des Zurverfügungstellens elektrischer Speicherkapazität konstruiert und ausgelegt werden.
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Durch das parallele Zusammenschalten von zwei oder mehr Batterie-Submodulen können unterschiedliche Kapazitätsklassen mit ein und denselben Batterie-Submodulen und ein und derselben Verteilervorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Sind die einzelnen Batterie-Submodule beispielsweise mit jeweils 5 Kilowattstunden Kapazität ausgestattet, so kann schrittweise, in Schrittweiten von 5 Kilowattstunden, eine unterschiedlich große Kapazität durch entsprechende Auswahl der zugehörigen Anzahl von Batterie-Submodulen für unterschiedliche Fahrzeuge mit unterschiedlichen Leistungsverbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Für kleine Fahrzeuge kann es ausreichen, wenn an der Verteilervorrichtung nur an zwei Leistungseingängen entsprechend zwei Batterie-Submodule angeordnet sind. Bei größeren Fahrzeugen kann an der identischen Verteilervorrichtung an beispielsweise vier Leistungseingängen ein Anschluss von separat vier Batterie-Submodulen erfolgen, sodass bei Verwendung der identischen Batterie-Submodule die doppelte elektrische Speicherkapazität zur Verfügung gestellt werden kann.
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Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, kann nun das modulare Konzept eine standardisierte Ausgestaltung von Batterie-Submodulen zur Verfügung gestellt werden. So kann beispielsweise eine fest definierte Speicherkapazität für das Batterie-Submodul vorgegeben werden und trotzdem eine Vielzahl unterschiedlicher Kapazitätsanforderungen erfüllt werden. In gleichem Maße kann für die Kopplung der unterschiedlich vielen Batterie-Submodule nun vorzugsweise eine einzige Verteilervorrichtung vorgesehen sein, welche beispielsweise hinsichtlich der Anzahl der Leistungseingänge an die maximal benötigte Kapazität und damit die maximal benötigte Anzahl von Batterie-Submodulen angepasst ist. In ähnlicher Weise kann die Verteilervorrichtung auch die maximal benötigte Anzahl an Leistungsausgängen aufweisen, sodass mit im Wesentlichen zwei Modulbestandteilen, nämlich einer universellen Verteilervorrichtung und einem universellen Batterie-Submodul, eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrzeuge mit unterschiedlichen elektrischen Systemanforderungen ausgestattet werden können.
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Neben der deutlich erhöhten Flexibilität kann auf diese Weise die Anzahl unterschiedlicher Bauteile deutlich reduziert werden, sodass Batterie-Submodul und Verteilervorrichtung entsprechend kostengünstig und einfach herstellbar sind. Auch die Montage solcher Batteriesysteme, basierend auf einer solchen Verteilvorrichtung und mehreren Batterie-Submodulen, wird vereinfacht, da immer die gleichen Montageschritte an immer den gleichen Modulbestandteilen durchgeführt werden müssen. Somit sind Schulungsaufwand und Fertigungsaufwand für die Montage in unterschiedlichen Fahrzeugen deutlich vereinfacht.
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Darüber hinaus ist noch darauf hinzuweisen, dass auch die Wartungsfreundlichkeit von erfindungsgemäßen Batteriesystemen deutlich verbessert ist. So kann sichergestellt werden, dass beim Defekt einzelner Batteriezellen nur das entsprechende Batterie-Submodul mit der defekten Batteriezelle ausgetauscht werden muss. Dies kann insbesondere auch dann erfolgen, wenn die anderen Batterie-Submodule, welche noch intakt sind, sich weiter im Betrieb befinden. Mit anderen Worten wird es nun möglich, ein Batteriesystem mit den noch intakten Bestandteilen weiter zu betreiben und ausschließlich das jeweils defekte Batterie-Submodul auszutauschen. Da die weiteren Komponenten, insbesondere teure elektronische Bauteile wie das Kontrollmodul, weiterverwendet werden können, wird auch hinsichtlich der Wartungsfreundlichkeit eine Kostenreduktion erzielt. Auch die Einsatzfunktionalität wird verbessert, da bei dem bereits beschriebenen Defekt in einer Batteriezelle in einem Batterie-Submodul, dieses beispielsweise durch Diagnostik erkannt und gänzlich von den Leistungsverbrauchern getrennt werden kann. Die verbleibenden, noch intakten Batterie-Submodule stellen dann zwar mit verringerter elektrischer Kapazität, aber immer noch in intakter Weise, eine Restleistung zur Verfügung, welche zumindest in einer Art Notbetrieb die Leistungsverbraucher, angeschlossen an der Verteilervorrichtung, versorgen kann.
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Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung der Kommunikationsanschluss als gemeinsamer Kommunikationsanschluss zur Kommunikation mit allen Batterie-Submodulen ausgebildet ist. Diese Kommunikation ist insbesondere eine Signalkommunikation, und dient dazu, entweder Signale von den Batterie-Submodulen zu empfangen oder Signale an die Batterie-Submodule zu senden. Auch eine bidirektionale Kommunikation, also ein Senden und Empfangen, ist hier grundsätzlich denkbar. Die Kommunikation kann sowohl kabelgebunden als auch kabellos stattfinden. Der entscheidende Kerngedanke ist, dass das Kontrollmodul über den Kommunikationsanschluss Informationen von den einzelnen Batterie-Submodulen erhält, beispielsweise Sensorparameter oder Stromparameter aus den einzelnen Batterie-Submodulen auslesen kann. Dies kann ergänzend oder alternativ zu Sensorinformationen vorgesehen sein, welche durch Sensorelemente innerhalb der Verteilervorrichtung erfasst werden können.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung wenigstens ein Schaltelement, insbesondere alle Schaltelemente, als elektromechanisches Schaltelement ausgebildet sind. Während bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung grundsätzlich eine Schaltmöglichkeit vorgesehen ist, um beispielsweise beim Defekt eines Batterie-Submoduls dieses von der elektrischen Verbindungseinheit trennen zu können, kann eine Ausgestaltung als elektromechanischer Schütz, in Form eines elektromechanischen Schaltelementes, sogar eine galvanische Trennung dieser jeweiligen elektrischen Verbindung mit sich bringen. Dies verstärkt die Funktionalität noch weiter und erhöht insbesondere die Sicherheit aus elektrischer Sicht. Bevorzugt sind die Schaltelemente für alle Leistungseingänge identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung alle Leistungseingänge elektrisch identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Um den modulhaften Aufbau weiter zu verstärken, sind die Leistungseingänge einander ähnlich oder identisch hinsichtlich ihrer elektrischen Funktionalität ausgebildet. Beispielsweise kann jeder Leistungseingang die gleiche Anzahl und die gleiche elektrische Spezifikation der jeweils dort eingesetzten Bauteile aufweisen. Dies gilt zum Beispiel für Schaltelemente, Sensorelemente, Zusatz-Schaltelemente oder Ähnliches. Dadurch, dass die modulhafte Ausgestaltung sich auch im Inneren der Verteilervorrichtung fortsetzt, ist ein Fehlverschalten und damit eine Fehlmontage bereits durch diese Konstruktionsweise im Wesentlichen ausgeschlossen.
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Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung das wenigstens eine Schaltelement, insbesondere alle Schaltelemente, als elektronisches Schaltelement ausgebildet ist. Darunter ist insbesondere im Gegensatz zu einem elektromechanischen Schaltelement eine Ausbildung mit einem Halbleiterschalter zu verstehen. Hier ist neben einem rein qualitativen Schalten insbesondere auch ein quantitatives Schalten möglich, also ein aktives Reduzieren oder Erhöhen eines Stromflusses, auch zwischen einem vollständigen Einschalten und einem vollständigen Ausschalten. Es ist also möglich, zum Beispiel eine aktive Strombegrenzung in einer elektrischen Verbindung eines Leistungseingangs mit einem solchen elektronischen Schaltelement zu integrieren. Auch Zwischenkreisvorladungen oder das Ausbilden von intelligenten Sicherungen sind hier möglich. Insbesondere in Korrelation mit weiteren Diagnostiksystemen, zusätzlichen Sensorparametern oder Ähnlichem, kann hier die Funktionalität der Verteilervorrichtung weiter erhöht werden.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung die Leistungseingänge und der wenigstens eine Leistungsausgang die gleiche Anzahl elektrischer Verbindungen aufweisen. Insbesondere handelt es sich hier um eine zweiphasige Ausgestaltung der Verteilervorrichtung sowie der elektrischen Leitungen innerhalb der Verteilervorrichtung. Die Schaltelemente sind dabei für jeden der Leistungseingänge vorzugsweise in der jeweils identischen elektrischen Verbindung angeordnet, sodass auch hier eine einfache Skalierbarkeit gegeben ist.
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Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung jeder Leistungseingang einen Stromsensor zur Erfassung eines Stromflusses durch den Leistungseingang aufweist, insbesondere in einer anderen elektrischen Verbindung des Leistungseingangs als das Schaltelement. Im Unterschied zu einer Variante mit einem Stromsensor in der gleichen elektrischen Verbindung bringt diese eine Reduktion der Abmessungen und damit eine Verkleinerung der Konstruktion mit sich. Ein solcher Stromfluss kann insbesondere die Richtung, vorzugsweise auch in quantitativer Weise die Menge, des aktuellen Stromflusses bestimmen. Dies erlaubt es, die aktuelle elektrische Situation für den Leistungseingang und damit zumindest indirekt auch für das angeschlossene Batterie-Submodul zu ermitteln. Insbesondere dann, wenn das bereits beschriebene Schaltelement als intelligentes Schaltelement ausgebildet ist, kann hier durch aktives Begrenzen des Stroms oder eine Zwischenkreisvorladung eine zusätzliche Funktionalität erzielt werden. Mit anderen Worten wird es so möglich, insbesondere in regelnder Weise, ein gezieltes Management der einzelnen Batterie-Submodule relativ zueinander zu gewährleisten und mit hoher elektrischer Stabilität die jeweils vorhandene Leistungsanforderung der angeschlossenen Leistungsverbraucher zu erfüllen.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung die Leistungseingänge und der wenigstens eine Leistungsausgang für Niederspannung, insbesondere im Bereich von 48 Volt ausgebildet sind. Insbesondere gilt dies auch für die einzelnen Schaltelemente und anderen elektrischen Bauteile in den Leistungseingängen und den Leistungsausgängen. Die Funktionalität einer solchen Verteilervorrichtung kann dabei für Leistungsverbraucher eingesetzt werden, welche insbesondere für den elektrischen Antrieb von diesen Fahrzeugen ausgestaltet sind. Für elektrische Kleinfahrzeuge, insbesondere sogenannte L6/L7 Fahrzeuge, sind solche Verteilvorrichtungen, insbesondere im Bereich von 48 Volt ausgebildet.
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Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung die elektrische Verbindungseinheit einen Erweiterungsanschluss aufweist, für einen elektrischen Anschluss eines Erweiterungs-Verteilermoduls mit wenigstens einem Erweiterungs-Leistungseingang und/oder wenigstens einem Erweiterungs-Leistungsausgang. Wie bereits erläutert worden ist, kann die Auslegung der Anzahl der Leistungseingänge und der Leistungsausgänge an die maximal benötigten Eingänge und Ausgänge angepasst sein. Jedoch kann auch die Verteilervorrichtung selbst noch erweiterbar ausgebildet sein, indem diese, vorzugsweise beliebig häufig, in kaskadierter Weise mithilfe eines Erweiterungs-Verteilermoduls erweiterbar ist. Beispielsweise kann die Basis-Verteilervorrichtung mit zwei Leistungseingängen und zwei Leistungsausgängen ausgestattet sein. Mithilfe von Erweiterungs-Verteilermodulen mit jeweils einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang ist nun eine beliebige kaskadierende Erweiterung über den Erweiterungsanschluss möglich, sodass auf Basis der Basis-Verteilervorrichtung eine beliebig große Verteilervorrichtung mit einer beliebig großen Anzahl anschließbarer Leistungsverbraucher und/oder Batterie-Submodule möglich wird. Dies erlaubt es, eine noch flexiblere Ausgestaltung zur Verfügung zu stellen und durch Erhöhen der Gesamtkomponentenzahl von zwei (Batterie-Submodul und Verteilervorrichtung) auf drei Modulelemente (Verteilervorrichtung, Batterie-Submodul und Erweiterungs-Verteilermodul) eine deutliche Steigerung der Einsatzflexibilität zu erzielen. Darüber hinaus ist neben dem elektrischen Anschluss über den Erweiterungsanschluss vorzugsweise auch eine mechanische Schnittstelle gegeben, um das Erweiterungs-Verteilermodul mechanisch an der Verteilervorrichtung zu befestigen.
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Erfindungsgemäß ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn bei einer Verteilervorrichtung am Erweiterungsanschluss ein Erweiterungs-Verteilermodul, insbesondere reversibel, elektrisch angeschlossen ist. Damit wird die Verteilervorrichtung durch die Integration des Erweiterungsanschlusses in der beschriebenen Funktionsweise erweitert und kann auf diese Weise mehr Leistungsverbraucher bedienen und/oder von mehr Batterie-Submodulen versorgt werden.
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Darüber hinaus von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung die Leistungseingänge und/oder der wenigstens eine Leistungsausgang für einen Hochvoltbetrieb ausgebildet sind, insbesondere in einer anderen elektrischen Verbindung, als das Schaltelement ein Zusatz-Schaltelement angeordnet ist, für eine galvanische Trennung des jeweiligen Leistungseingangs von einem angeschlossenen Batterie-Submodul. Ist eine Hochvoltanbindung an entsprechende Hochvolt-Leistungsverbraucher gewünscht, so ist es aus sicherheitstechnischen Überlegungen vorteilhaft, eine vollständige galvanische Trennung zu ermöglichen. Um dies neben dem Schaltelement zu gewährleisten, wird nun die andere elektrische Verbindung ebenfalls trennbar ausgebildet, indem das Zusatz-Schaltelement in dieser anderen elektrischen Verbindung angeordnet ist. Dies erlaubt es, bei einer Hochvoltsituation sämtliche elektrischen Verbindungen am Leistungseingang zu schalten und damit das angeschlossene Batterie-Submodul vollständig von der elektrischen Verbindungseinheit der Verteilervorrichtung zu trennen. Das Zusatz-Schaltelement ist dabei vorzugsweise als elektromechanisches Zusatz-Schaltelement ausgebildet.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Batterie-Submodul für einen elektrischen Anschluss an einen Leistungseingang einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung. Ein solches Batterie-Submodul weist einen Stromspeicher zum Speichern elektrischer Energie auf. Darüber hinaus ist ein Batterieanschluss zum elektrischen Anschluss an den Leistungseingang der Verteilervorrichtung vorgesehen. Weiter leistet das Batterie-Submodul einen Gegen-Kommunikationsanschluss zum signalkommunizierenden Anschluss an den Kommunikationsanschluss des Kontrollmoduls auf. Ein solches Batterie-Submodul ist, wie der Name bereits sagt, modular ausgebildet und kann beliebig skalierbar an einen Leistungseingang der Verteilervorrichtung angeschlossen werden. Werden entsprechend zwei, drei oder mehr solcher gleichen Batterie-Submodule an zwei, drei oder entsprechend mehr Leistungseingänge der Verteilervorrichtung angeschlossen, so kann durch die parallele Verschaltung bei gleichbleibender Spannung die zur Verfügung stehende Gesamtkapazität deutlich gesteigert werden. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die signalkommunizierende Kommunikation zum Kontrollmodul sowohl kabelgebunden als auch kabellos stattfinden kann. Das Batterie-Submodul ist bevorzugt frei von einem Kontrollmodul ausgebildet, da dieses sich bereits als zentrales und gemeinsam genutztes Kontrollmodul in der Verteilervorrichtung befindet.
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Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Batterie-Submodul das Batterie-Submodul frei von wenigstens einem der folgenden Bauteile ausgebildet ist:
- - Kontrollmodul,
- - Schaltelement,
- - Stromsensor.
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Je nach Ausstattungsstufe der Verteilervorrichtung kann eine Vielzahl von elektrischen Bauteilen in die Verteilervorrichtung integriert sein. Im Umkehrschluss führt dies dazu, dass diese elektrischen Bauteile, welche in der Verteilervorrichtung zentral vorgesehen sind, nicht mehr in das Batterie-Submodul integriert werden müssen. Dadurch, dass zwei oder mehr Batterie-Submodule vorgesehen sind, führt dies in Summe zu einer Reduktion der gesamtnotwendigen Bauteile, sodass nunmehr zum Beispiel ein einzelnes Kontrollmodul in der Verteilvorrichtung ausreicht und nicht mehr für jedes einzelne Batterie-Submodul separat ein solches vorgesehen werden muss. Auch wird beim Austausch eines Batterie-Submoduls aufgrund von Alterungseffekten oder bei einem Defekt der Speichervorrichtung innerhalb des Batterie-Submoduls kein automatischer Mit-Austausch der entsprechenden elektronischen Bauteile einhergehen, sodass diese in kostengünstiger und effizienter sowie nachhaltiger Weise weiterbetrieben werden können.
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Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Batterie-Submodul für den Stromspeicher wenigstens ein Sicherungselement als Kurzschlussschutz vorgesehen ist. Dieser Kurzschlussschutz dient der Absicherung gegen unerwünscht hohe Ströme, beispielsweise bei Fehlbetrieb, für das Batterie-Submodul. Insbesondere hilft der Kurzschlussschutz auch bei der Montage, da er den jeweiligen Monteur gegen Stromschläge und physische Beeinträchtigung absichert.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Batteriesystem, insbesondere für die Versorgung von Leistungsverbrauchern eines Fahrzeugs, aufweisend eine erfindungsgemäße Verteilervorrichtung. Ein solches Batteriesystem ist weiter mit wenigstens zwei Batterie-Submodulen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet, welche jeweils mit einem Leistungseingang der Verteilervorrichtung elektrisch verbunden sind. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Verteilervorrichtung sowie ein erfindungsgemäßes Batterie-Submodul erläutert worden sind. Im Fahrzeug können einzelne Leistungsverbraucher, wie beispielsweise eine Antriebsvorrichtung und/oder Nebenverbraucher wie eine Klimatisierung, ein elektrischer Heizer, eine Konvertervorrichtung oder Ähnliches, an die Leistungsausgänge der Verteilervorrichtung angeschlossen und auf diese Weise mit elektrischer Leistung versorgt werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um ein Niedervolt-Batteriesystem.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer elektrischen Leistungsverteilung mit einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte:
- - Erfassen einer Leistungsanforderung von wenigstens einem Leistungsverbraucher,
- - Verteilen von elektrischer Leistung an den wenigstens einen Leistungsverbraucher, basierend auf der Leistungsanforderung aus den angeschlossenen wenigstens zwei Batterie-Submodulen.
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Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Verteilervorrichtung sowie ein erfindungsgemäßes Batteriesystem erläutert worden sind.
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Das Verteilen der elektrischen Leistung kann zum Beispiel durch das qualitative und/oder quantitative, insbesondere gleichzeitige oder parallele, Schalten der Schaltelemente stattfinden. Dabei können unterschiedliche Verfahrensziele verfolgt werden. Beispielsweise kann ein möglichst schonender Batteriebetrieb die Vorgabe sein. Auch kann ein Vorteil sein, dass beim Schalten der Ladezustand der einzelnen Batterie-Submodule berücksichtigt wird, sodass beim Abnehmen der Leistung von den Batterie-Submodulen auf einen Ausgleich von Leistungsunterschieden abgezielt wird. Nicht zuletzt kann durch das Kontrollverfahren auch ein Defekt eines Batterie-Submoduls ausgeglichen werden, indem dieses eine, defekte Batterie-Submodul aus der Leistungsverteilung ausgeschaltet wird und die verbleibende Restleistung der verbleibenden Rest-Batterie-Submodule für das Erfüllen der Leistungsanforderung genutzt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem,
- 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem,
- 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem,
- 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem,
- 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem,
- 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem,
- 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterie-Submoduls,
- 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterie-Submoduls.
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1 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Verteilervorrichtung 10, welche hier in einem Batteriesystem 200 angeordnet ist. Das Batteriesystem 200 ist hier, wie auch in den weiteren Beispielen, mit drei Batterie-Submodulen 100 dargestellt. Selbstverständlich ist dieser modulare Aufbau jedoch nicht auf drei Batterie-Submodule 100 begrenzt, sondern kann auch mit weniger, beispielsweise zwei Batterie-Submodulen 100, oder deutlich mehr Batterie-Submodulen 100, ausgebildet sein.
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Die 1 zeigt, wie in der Verteilervorrichtung 10 eine Schnittstelle zwischen den Batterie-Submodulen 100 und nicht näher dargestellten Leistungsverbrauchern, beispielsweise eines Fahrzeugs, zur Verfügung gestellt werden kann. Die Leistungsverbraucher können hier an die Leistungsausgänge 20 der Verteilervorrichtung 10 angeschlossen werden. Hier ist eine Anschlussmöglichkeit für vier Leistungsverbraucher für vier Leistungsausgänge 20 gegeben. Für die Leistungsverteilung ist eine elektrische Verbindungseinheit 40 vorgesehen, welche die Leistungsausgänge 20 mit Leistungseingängen 30 elektrisch leitend verbindet. Die elektrisch leitende Verbindung ist hier für jeden Leistungseingang 30 schaltbar mit einem elektromechanischen Schaltelement 32 ausgebildet. Um nun tatsächlich auch elektrische Leistung zum Verteilen zu erhalten, sind hier drei Batterie-Submodule 100 dargestellt. Jedes dieser Batterie-Submodule 100 ist mit einem Stromspeicher 110, beispielsweise in Form einer Vielzahl von Batteriezellen, ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform sind in jedem Batterie-Submodul 100 noch einige eigene Bauelemente vorgesehen. Kerngedanke ist jedoch, dass ein elektrischer Anschluss über einen Batterieanschluss 120 für jedes Batterie-Submodul 100 jeweils an exakt einen Leistungseingang 30 erfolgt. Damit wird es möglich, mit einem zentralen Kontrollmodul 50 kommunikativ die einzelnen Schaltelemente 32 anzusteuern und in qualitativer oder quantitativer Weise einen Stromfluss von den hier drei angeschlossenen Batterie-Submodulen 100 über die Leistungsausgänge 20 an Leistungsverbraucher zu verteilen. Hier ist bereits gut zu erkennen, dass alle Batterie-Submodule 100 identisch oder im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Dies gilt insbesondere hinsichtlich ihres elektronischen Aufbaus sowie ihrer elektrischen Speicherkapazität. Ist bei dem Aufbau der 1 ein Batterie-Submodul 100 beispielsweise mit einer Speicherkapazität von 5 Kilowattstunden ausgebildet, so ist das in der 1 dargestellte Batteriesystem 200 mit einer Gesamtkapazität von dreimal 5 Kilowattstunden, also 15 Kilowattstunden, ausgestattet.
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Die 2 zeigt die Ausführungsform der 1 mit einer Weiterbildung. So ist hier gut zu erkennen, dass nun in die Verteilervorrichtung in jeden Leistungseingang 30 noch ein Stromsensor 34 integriert ist. Dieser ist ebenfalls kommunizierend mit dem Kontrollmodul 50 verbunden, sodass das Kontrollmodul 50 nun auf Stromwerte für jeden Leistungseingang 30 und das entsprechend angeschlossene Batterie-Submodul 100 zurückgreifen kann. Auch ist hier zu erkennen, dass in den Batterie-Submodulen 100 nun kein Stromsensor 34 mehr vorgesehen sein muss, da dieser zentral in die Verteilervorrichtung 10 integriert ist. Wird nun beispielsweise auf Basis eines Defekts eines Stromspeichers 110 ein Batterie-Submodul 100 ausgetauscht, so kann der Stromsensor 34 zentral in der Verteilervorrichtung 10 verbleiben und muss nicht mit ausgetauscht werden, sondern kann vielmehr weiterverwendet werden.
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Auch die 3 zeigt eine Weiterentwicklung der Ausführungsform der 1 und 2. Hier wurde im Vergleich zur 2 der elektromechanische Schalter als Schaltelement 32 durch ein Halbleiterschaltelement in Form eines elektronischen Schalters 32 ersetzt. Dies führt insbesondere zu einem quantitativen Schalten und kann zum Beispiel eine aktive Strombegrenzung spezifisch für den jeweiligen Leistungseingang 30 und das entsprechend angeschlossene Batterie-Submodul 100 zur Verfügung stellen. Die Einsatzfunktionalität steigt auf diese Weise weiter und kann insbesondere einem definierten Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände der einzelnen Batterie-Submodule 100 dienen.
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Auch die 4 zeigt eine Variante, welche insbesondere für einen Hochvoltbetrieb ausgelegt ist. Diese basiert auf der Ausgestaltung der 3, ist jedoch zusätzlich in der zweiten elektrischen Verbindung der Leistungseingänge 30 mit einem elektromechanischen Schaltelement als Zusatz-Schaltelement 36 ausgestattet, sodass eine vollständige galvanische Trennung zu den angeschlossenen Batterie-Submodulen 100 möglich wird.
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In der 5 ist noch eine Erweiterungsmöglichkeit dargestellt. Diese basiert auf der Ausgestaltung der 1, ist jedoch in der Verteilervorrichtung 10 mit einem Erweiterungsanschluss 42 für die elektrische Verbindungseinheit 40 versehen. Hier ist die angeschlossene Situation mit einem Erweiterungs-Verteilermodul 60 dargestellt. Das Erweiterungs-Verteilermodul 60 bildet die Verteilervorrichtung 10 mit einem zusätzlichen Erweiterungs-Leistungseingang 62 und einem zusätzlichen Erweiterungs-Leistungsausgang 64 weiter. Der Erweiterungs-Leistungseingang 62 entspricht dabei vorzugsweise aus elektrischer Sicht dem jeweiligen Leistungseingang 30, während in gleicher Weise der Erweiterungs-Leistungsausgang 64 aus elektrischer Sicht den Leistungsausgängen 20 entspricht.
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Die 6 ist eine nochmalige Weiterbildung des Erweiterungs-Verteilermoduls, welches nun ebenfalls mit einem eigenen Erweiterungsanschluss 42 ausgestattet ist. Dies erlaubt es, kaskadierend eine Vielzahl von solchen Erweiterungs-Verteilermodulen 60 nach unten anzuschließen und nun eine beliebig große modular aufgebaute und erweiterbare Anzahl von Batterie-Submodulen 100 und/oder Leistungsausgängen 20 in Form von Erweiterungs-Leistungsausgängen 64 zur Verfügung stellen zu können.
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In den 7 und 8 sind noch Beispiele für Batterie-Submodule 100 dargestellt. Die 7 zeigt dabei eine besonders einfache Ausführung, welche vorzugsweise vollkommen frei von einem Kontrollmodul 50, einem Schaltelement 32 und einem Stromsensor 34 ausgebildet ist. Dadurch, dass diese Bauelemente in die Verteilervorrichtung 10 integriert worden sind, beschränkt sich dieses Batterie-Submodul auf den Stromspeicher 110, den Batterieanschluss 120 sowie den notwendigen Gegen-Kommunikationsanschluss 130. In der 8 ist diese Ausführungsform nochmals ergänzt durch ein Sicherungselement 112, um einen Kurzschlussschutz gegen einen Kurzschluss in dem Batterie-Submodul 100 hinzufügen zu können.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verteilervorrichtung
- 20
- Leistungsausgang
- 30
- Leistungseingang
- 32
- Schaltelement
- 34
- Stromsensor
- 36
- Zusatz-Schaltelement
- 40
- elektrische Verbindungseinheit
- 42
- Erweiterungsanschluss
- 50
- Kontrollmodul
- 52
- Kommunikationsanschluss
- 54
- Kommunikationsausgang
- 60
- Erweiterungs-Verteilermodul
- 62
- Erweiterungs-Leistungseingang
- 64
- Erweiterungs-Leistungsausgang
- 100
- Batterie-Submodul
- 110
- Stromspeicher
- 112
- Sicherungselement
- 120
- Batterieanschluss
- 130
- Gegen-Kommunikationsanschluss
- 200
- Batteriesystem
