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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits sogenannte Umschaltbatterien bekannt. Beispielsweise weisen diese Umschaltbatterien ein erstes Batteriemodul und ein zweites Batteriemodul auf, welche beispielsweise in einem Fahrbetrieb seriell miteinander verschaltet sind, und in einem Ladebetrieb parallel miteinander verschaltet sind. Dadurch ist es ermöglicht, dass für den Fahrbetrieb eine erhöhte Spannung zur Verfügung gestellt werden kann, wodurch sich beispielsweise die Reichweite des Kraftfahrzeugs verbessern kann. Während des Ladevorgangs ist es jedoch notwendig, insbesondere da die Ladeinfrastruktur oftmals nicht über entsprechende Ladespannungen verfügt, diese elektrischen Energiespeicher zu „teilen“ und somit mit einer niedrigeren Ladespannung, beispielsweise der halben Ladespannung, laden zu können. Bereits bekannt sind beispielsweise 800 Voltsysteme in Kraftfahrzeugen, welche im Fahrbetrieb entsprechend die 800 Volt liefern, und im Ladebetrieb auf zwei Batteriemodule mit jeweils 400 Volt verschaltet werden. Hierzu ist bereits bekannt, dass entsprechende Schaltelemente innerhalb einer Batteriemanagementsystems oder der gleichen ausgebildet sind, und beim Ladebetrieb entsprechend aus einer seriellen Verschaltung der Batteriemodule eine parallele Verschaltung der Batteriemodule zu erzeugen, wodurch jeweils auf 400 Volt Basis die beiden Batteriemodule geladen werden können. Somit kann an Ladestationen mit geringer Ladespannung ebenfalls geladen werden. Das Kraftfahrzeug ist somit nicht verpflichtet beispielsweise bei einer 800 Volt Ladestation, welche insbesondere sehr marginal in der Umgebung verbaut sind, einen entsprechenden Ladevorgang durchzuführen. Die verbauten Schütze sind dabei insbesondere sehr groß und benötigen entsprechend viel Bauraum. Ferner sind diese Schütze oftmals auch sehr schwer, wodurch ein hohes Gewicht entsteht.
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Die
EP 3 479 455 A1 betrifft eine Energiespeichereirichtung für einen Kraftwagen mit einem ersten und einem zweiten Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie, mit einem Ladeanschluss zum Laden der Energiespeicher, mit einem Betriebsanschluss zum Betrieb eines Verbrauchers an der Energiespeichereinrichtung und mit einer Schalteinrichtung, die mehrere Schaltelemente aufweist und mittels welcher die Energiespeicher wahlweise in Serie oder parallel schaltbar sind, wobei ein fünftes Schaltelement der Schalteinrichtung dauerhaft mit dem elektrischen Pol entgegengesetzter Polarität von den Energiespeichern elektrisch gekoppelt ist und mit dem fünften Schaltelement die Energiespeicher unabhängig von den weiteren Schaltelementen der Schalteinrichtung in Serie schaltbar sind, um eine Energiespeichereinrichtung im Kraftwagen bereitzustellen, die auf effiziente Weise mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden kann und welche insbesondere einschlägige Sicherheitsvorschriften für den Betrieb einer Energiespeichereinrichtung in einem Kraftwagen erfüllt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schaltvorrichtung sowie einen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, welcher bauraumreduziert und/oder bauteilereduziert und/oder baugewichtsreduziert ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltvorrichtung sowie durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mit zumindest einem elektrischen ersten Schaltelement und einem elektrischen zweiten Schaltelement, wobei die zwei Schaltelemente zum parallelen Schalten eines ersten Batteriemoduls des elektrischen Energiespeichers mit einem zweiten Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers ausgebildet sind, und mit einem elektrischen dritten Schaltelement, wobei das dritte Schaltelement zum seriellen Schalten der zwei Batteriemodule ausgebildet ist, und wobei drei Schaltelemente in einem gemeinsamen Gehäuse ausgebildet sind.
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Somit kann insbesondere ein bauraumreduziertes, bauteilereduziertes sowie baugewichtsreduziertes Bereitstellen von Energie für das Kraftfahrzeug realisiert werden.
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Insbesondere ist somit vorgeschlagen, dass die drei Schaltelemente kombiniert in einem Gehäuse bereitgestellt werden können, wobei hierfür dann 800 Volt-Fahrzeuge beispielsweise mit 400 Volt geladen werden können, wodurch eine sogenannte Umschaltbatterie bereitgestellt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann es zur Einsparung von Bauraum und Kosten durch Reduktion von Bauteilen, Anbindungspunkten und Ansteuerungen kommen. Somit ist der elektrische Energiespeicher in einem ähnlichen Bauraum mit erhöhter Leistungsbereitstellung darstellbar oder es ist eine gleiche Funktionalität mit reduziertem Bauraum der Batterie durchführbar. Dadurch kann mehr Platz für Batteriezellen im Batteriebauraum und mehr Reichweite erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist in dem Gehäuse eine einzige Steuereinheit zum Ansteuern der drei Schaltelemente ausgebildet.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn an der Schaltvorrichtung ein elektrischer erster Anschluss und ein elektrischer zweiter Anschluss ausgebildet sind, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss mit dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement gekoppelt sind, und ein elektrischer dritter Anschluss und ein elektrischer vierter Anschluss ausgebildet sind, wobei der dritte Anschluss und der vierte Anschluss mit dem dritten Schaltelement gekoppelt sind.
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Es hat sich als weiter vorteilhaft erwiesen, wenn die vier Anschlüsse an einer gemeinsamen Seite des Gehäuses ausgebildet sind.
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Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss an einer ersten Seite des Gehäuses ausgebildet sind und der dritte Anschluss und der vierte Anschluss an einer zur ersten Seite unterschiedlichen zweiten Seite des Gehäuses ausgebildet sind.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt.
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Der elektrische Energiespeicher kann insbesondere in einem ebenfalls erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bereitgestellt werden. Das Kraftfahrzeug ist dabei beispielsweise als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug oder auch als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers;
- 2 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Schaltvorrichtung;
- 3 eine schematische Perspektivansicht gemäß einer Ausführungsform einer Schaltvorrichtung; und
- 4 eine weitere schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Schutzvorrichtung.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 10. Der elektrische Energiespeicher 10 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein erstes Batteriemodul 12 sowie ein zweites Batteriemodul 14 auf. Der elektrische Energiespeicher 10 ist zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein nichtdargestelltes Kraftfahrzeug ausgebildet. Das erste Batteriemodul 12 weist eine Spannung V auf. Das zweite Batteriemodul 14 weist ebenfalls eine Spannung V auf. Beispielsweise kann das erste Batteriemodul 12 eine Spannung von 400 Volt aufweisen und das zweite Batteriemodul 14 eine Spannung V von ebenfalls 400 Volt aufweisen. Wenn nun das erste Batteriemodul 12 und das zweite Batteriemodul 14 in Serie geschaltet sind, so entsteht im elektrischen Energiespeicher 10 eine Spannung von 2V, also beispielsweise 800V. Beispielsweise kann über ein drittes Schaltelement 16 eine serielle Schaltung der beiden Batteriemodule 12 realisiert werden. Insbesondere wenn das Schaltelement 16 geschlossen ist und beispielsweise ein erstes Schaltelement 18 und ein zweites Schaltelement 20 geöffnet sind, so kann eine serielle Verschaltung ermöglicht werden. Sollte hingegen beispielsweise das dritte Schaltelement 16 geöffnet sein und das erste Schaltelement 18 und das zweite Schaltelement 20 geschlossen sein, so sind die beiden Batteriemodule 12, 14 parallel verschaltet. Insbesondere zeigt somit die 1 eine sogenannte Umschaltbatterie. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das erste Schaltelement 18, das zweite Schaltelement 20 und das dritte Schaltelement 16 in einem gemeinsamen Gehäuse 22 untergebracht sind.
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Insbesondere ist somit vorgesehen, statt die drei, für die Umschaltung notwendigen Schaltelemente 16, 18, 20 einzeln in die entsprechende Batterie-Elektrik zu integrieren, werden die drei Schaltelemente 16, 18, 20 im gemeinsamen Gehäuse 22 kombiniert. Dabei kann die Anordnung der Schaltelemente 16, 18, 20 so günstig angeordnet werden, dass diese einen minimalen Bauraum benötigen beziehungsweise sich bestmöglich in den verfügbaren Bauraum einfügen. Außerdem muss kein Montagefreigang zwischen den Bauteilen eingehalten werden. Statt Anbindungspunkte für jedes einzelne Schaltelement 16, 18, 20 kann die insbesondere auch als Multischaltbauteil bezeichnete Schaltvorrichtung 24 über reduzierte Anzahl von Anbindungspunkten verfügen, was Montagekosten reduziert und Schrauben einspart.
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Insbesondere zeigt 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 24. Insbesondere ist gezeigt, dass in dem Gehäuse 22 eine einzige Steuereinheit 26 zum Ansteuern der drei Schaltelemente 16, 18, 20 ausgebildet ist.
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Ferner ist gezeigt, dass an der Schaltvorrichtung ein erster elektrischer Anschluss 28, ein zweiter elektrischer Anschluss 30, ein dritter elektrischer Anschluss 32 und ein vierter elektrischer Anschluss 34 ausgebildet sind. Insbesondere ist der erste Anschluss 28 und der zweite Anschluss 30 mit dem ersten Schaltelement 18 und dem zweiten Schaltelement 20 gekoppelt und der dritte elektrische Anschluss 32 und der vierte elektrische Anschluss 34 sind mit dem dritten Schaltelement 16 gekoppelt.
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Insbesondere kann somit eine weitere Reduktion des Bauraumbedarfs vorgestellt werden, indem die Anzahl der elektrischen Anschlüsse 28, 30, 32, 34 die in einer kombinierten Lösung durch eine direkte elektrische Verbindung innerhalb des Gehäuses 22 dargestellt werden ermöglicht wird. Zusätzlich befinden sich das erste Schaltelemente 18 und das zweite Schaltelement 20 in der beschriebenen Funktionsweise einer Umschaltbatterie immer im gleichen Zustand, sodass diese gemeinsam über einen entsprechenden Treiber angesteuert werden können. Allgemein kann die Ansteuerung der Schaltelemente 16, 18, 20 über eine gemeinsame Platine erfolgen, was Kosten und Bauraum ebenfalls spart.
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Da sich der Ladestrom in beispielsweise der 400 Volt-Verschaltung auf zwei parallele Schaltelemente 18, 20 aufteilt, erfahren das erste Schaltelement 18 und das zweite Schaltelement 20 jeweils nur den halben Ladestrom. Da das erste Schaltelement 18 und das zweite Schaltelement 20 nur für 400 Volt ausgelegt werden müssen, sind die einzelnen Luft- und Kriechstrecken deutlich kleiner. Dadurch können diese Schaltelemente 18, 20 gegenüber dem dritten Schaltelement 16 deutlich kleiner ausgeführt werden. Da es Ladesäulen gibt, die nur 400 Volt-tauglich sind und daher keine besonders hohen Leistungen anbieten, ist zusätzlich zur oben genannten Aufteilung des Ladestroms, während der 400 Volt-Ladung der durch das erste Schaltelement 18 und das zweite Schaltelement 20 fließt, deutlich kleiner als der 800 Volt-Ladestrom, welcher durch das dritte Schaltelement 16 fließt. Für das dritte Schaltelement 16 kann es daher von Vorteil sein, die entsprechenden Anschlussterminals durch die Anbindung an einer Wärmesenke zu entwärmen. Hier bietet sich beispielsweise eine Gehäuseunterseite 36 an, wie dies in der 3 dargestellt ist. Dadurch kann die Struktur genutzt werden, an welche das Bauteil montiert wird, beispielsweise eine Platte des elektrischen Energiespeichers 10 oder ein weiteres Gehäuse. Die Schütze beziehungsweise die Anschlüsse für das erste Schaltelement 18 und das zweite Schaltelement 20 können dabei entweder ebenfalls thermisch günstig angebracht werden und dadurch noch kleiner dimensioniert werden, wie dies in der 3 dargestellt ist. Insbesondere ist in der 3 dargestellt, dass sich die elektrischen Anschlüsse 28, 30, 32, 34 auf der gemeinsamen Seite 36 befinden.
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Insbesondere ist ferner gezeigt, dass der erste Anschluss 28 und der zweite Anschluss 30 kleiner dimensioniert sind als der dritte Anschluss 32 und der vierte Anschluss 34. Dadurch ist auch eine Kühlungsanbindung frei an die Anforderungen eines Umgebungspackages ermöglicht. 4 zeigt eine alternative Variante dazu, wobei insbesondere hier gezeigt ist, dass der dritte Anschluss 32 und der vierte Anschluss 34 an der Gehäuseunterseite 36 angebracht sind und der erste Anschluss 28 und der zweite Anschluss 30 auf einer zur Gehäuseunterseite 36 unterschiedlichen Seite 38, im folgenden Beispiel insbesondere gegenüberliegend, ausgebildet sind.
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Die Reduktion des Bauraums für Elektrik-Bauteile hilft den Gesamtbauraum des elektrischen Energiespeichers 10 zu reduzieren und schafft somit mehr Platz in dem elektrischen Energiespeicher 10 für energiewirksame Bauteile, wie beispielsweise den einzelnen Batteriezellen. Hierdurch kann einem Nutzer des Kraftfahrzeugs bei gleichen Gesamtbauraum mehr Reichweite angeboten werden. Außerdem hilft ein kompaktes Multischaltelement, insbesondere wie es die Schaltvorrichtung 24 darstellt, dabei eine entsprechende Umschaltbatterie umzusetzen und reduziert damit die Aufwände für die Ladung von beispielsweise 800 Volt-Fahrzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrischer Energiespeicher
- 12
- erstes Batteriemodul
- 14
- zweites Batteriemodul
- 16
- drittes Schaltelement
- 18
- erstes Schaltelement
- 20
- zweites Schaltelement
- 22
- Gehäuse
- 24
- Schaltvorrichtung
- 26
- Steuereinheit
- 28
- erster Anschluss
- 30
- zweiter Anschluss
- 32
- dritter Anschluss
- 34
- vierter Anschluss
- 36
- Gehäuseunterseite
- 38
- Seite
- V
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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