EP4344424A1 - Method and energy transfer circuit for transferring electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery and a vehicle-external high-voltage device - Google Patents

Method and energy transfer circuit for transferring electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery and a vehicle-external high-voltage device

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Publication number
EP4344424A1
EP4344424A1 EP22737894.0A EP22737894A EP4344424A1 EP 4344424 A1 EP4344424 A1 EP 4344424A1 EP 22737894 A EP22737894 A EP 22737894A EP 4344424 A1 EP4344424 A1 EP 4344424A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
battery
energy
vehicle
voltage battery
Prior art date
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Pending
Application number
EP22737894.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marc Neitz
Alexander Matthias
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Preh GmbH
Original Assignee
Preh GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Preh GmbH filed Critical Preh GmbH
Publication of EP4344424A1 publication Critical patent/EP4344424A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/40—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B60L2210/14—Boost converters

Definitions

  • the invention relates to a method for transferring electrical energy between an on-board high-voltage battery and a high-voltage device external to the vehicle, to which the high-voltage battery can be electrically connected as required, for example for energy consumption (i.e. battery-side charging) or for energy delivery (i.e. battery-side discharging),
  • the invention also relates to an energy transmission circuit for transmitting electrical energy between a high-voltage battery on the vehicle and a high-voltage device external to the vehicle, to which the high-voltage battery can be electrically connected as required.
  • the invention also relates to an electric vehicle with a high-voltage battery (e.g. traction battery) and an energy transmission circuit for transferring electrical energy between the vehicle's high-voltage battery and an external high-voltage device (e.g. charging station),
  • Electric vehicles usually have a high-voltage battery (e.g. traction battery) as an energy storage device with a nominal voltage of 400 V or 800 V, for example.
  • high voltage is understood to mean an electrical direct voltage of greater than 60 V, in particular greater than 200 V, e.g. 400 V or 800 V to about 1000 V.
  • low voltage is understood to mean an electrical DC voltage of less than or equal to 60 V, e.g. B. 12V, 24V or 48V.
  • the invention is based on the object of providing a method and an energy transmission circuit for transmitting electrical energy provide between an on-board high-voltage battery and an off-board high-voltage device and an electric vehicle that ensure safe and reliable energy transfer between the on-board high-voltage battery and the off-board high-voltage device.
  • vehicle-side and device-side components should be protected at the beginning of the energy transfer from damage that can be caused by the switched-on capacitances between the high-voltage battery and the high-voltage device for the transmission of electrical energy due to an excessive current flow .
  • the method and the energy transmission circuit should be technically easy to implement and the energy transmission circuit and the electric vehicle should be compact and lightweight and last but not least be inexpensive to produce.
  • the possible uses for energy transfer between the vehicle's high-voltage battery and the vehicle's external high-voltage device are to be expanded.
  • a method for transmitting electrical energy between an on-board high-voltage battery (e.g., traction battery of an electric vehicle) and a vehicle-external high-voltage device (e.g., high-voltage energy network, high-voltage charging station and the like) has the steps;
  • the energy transfer circuit can be understood generally as a circuit that is designed to transfer the electrical energy between the connected high-voltage battery (herein also referred to as HV battery) and the likewise connected high-voltage device (here also referred to as HV device).
  • the energy transmission direction of the energy transmission circuit can be predefined once and cannot be changed, i.e. unidirectional.
  • the energy transmission circuit can also be designed to control the energy transmission direction between the HV battery and the HV device depending on the operating requirement, ie between two possible ones Transmission directions can be optionally switched (bidirectional energy transmission).
  • the energy transmission circuit for energy transmission can have one or more voltage converters, but without being necessarily limited to this. In the simplest configuration, the energy transmission circuit can, for example, only function as a simple current feedthrough that can, however, be switched between the active and the inactive operating mode.
  • the capacitances that are electrically effective for the energy transmission can be capacitances that are formed by connection lines (eg high-voltage cables) of the HV battery or the HV device to the energy transmission circuit.
  • Electronic components e.g. capacitors, coils, etc.
  • These electronic components can themselves be part of the energy transmission circuit and/or be provided in a circuit arrangement that is provided in addition to the energy transmission circuit and plays a functional role in the energy transmission, such as circuits for voltage conversion, regulation, limitation and the like .
  • the energy transmission circuit can have, for example, at least one controllable switching element (e.g. relay, transistor etc.) which can be switched between an open (ie electrically interrupted) and a closed (ie electrically conductive) state.
  • controllable switching element e.g. relay, transistor etc.
  • the invention provides that the capacities are precharged before the actual energy transmission with energy from the vehicle's high-voltage battery (eg traction battery).
  • the high-voltage battery is basically intended to supply a high-voltage electrical system (eg 400 V, 800 V) of the vehicle, for example an electric drive of the (electric) vehicle.
  • the method can be implemented in a compact structure with little additional cost and substantially no additional weight.
  • the pre-charging of the capacities ensures safe and reliable energy transmission between the vehicle's HV battery and the vehicle's external HV device by avoiding damage caused by very high compensating currents at the beginning of the energy transmission.
  • the target voltage level to be achieved by the pre-charging can be suitably predetermined according to the operating or nominal voltages of the HV battery and/or the HV device in such a way that equalizing currents are at least significantly reduced when the energy transmission circuit is switched to its active operating mode or be avoided entirely.
  • the invention also enables technically simple integration into existing electrical systems, eg electric vehicles, since the pre-charging according to the invention takes place independently of a difference in the voltage levels between the HV battery and the HV device.
  • This offers a major advantage in terms of possible uses, for example if an electric vehicle with a high-voltage battery with a nominal voltage of 800 V is to be charged at a 400 V charging station.
  • the target voltage level can correspond to a nominal voltage level of the high-voltage battery, e.g. B. traction battery with 400 V or 800 V, or a nominal voltage level of the high-voltage device, z. B. Charging station with 400 V or 800 V nominal voltage.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that after the energy transfer circuit has been switched to its active operating mode for transferring the electrical energy between the high-voltage battery and the high-voltage device, a high voltage provided by the high-voltage device is converted to a higher voltage level for the high-voltage battery by means of a unidirectional step-up converter .
  • the 400 V charging station can also expect a 400 V potential after connecting the vehicle's high-voltage battery before the actual activation of the energy transfer on the vehicle's side. without which the energy transfer from the charging station will not be started/performed. This cannot be provided directly by the vehicle's 800 V battery.
  • the unidirectional step-up converter can be used to adjust the voltage on the device side provided 400 V to the 800 V required on the vehicle side does not provide the 400 V potential expected by the charging station.
  • this electrical potential is provided by the pre-charging effected by the pre-charging circuit to the specific target voltage level (e.g. 400 V), so that an electric vehicle with an 800 V battery can now basically be charged at all charging stations that only have 400 V make charging voltage available, can be charged.
  • the specific target voltage level e.g. 400 V
  • the high voltage between the high-voltage device and the high-voltage battery is converted galvanically separately.
  • the voltage and current converted by the step-up converter can be specifically controlled and limited in terms of efficient energy transmission without overloading.
  • the step-up converter itself can have galvanic isolation between its primary side and secondary side, or the galvanic isolation can be implemented by a separate relay become.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the capacitors are precharged to the target voltage level by means of a step-down converter which is fed from the high-voltage battery.
  • the step-down converter is a switching DC-DC converter in which the output voltage is always less than or equal to the magnitude of the input voltage.
  • the step-down converter can also be used advantageously in order to reduce component stress during pre-charging and to avoid high current/voltage gradients.
  • a current for precharging the capacitances is limited to a range between approximately 100 mA and approximately 1 A, preferably between 250 mA and 1 A, even more preferably between 500 mA and 1 A. This ensures fast, efficient pre-charging so that the energy transfer can begin shortly after the on-board high-voltage battery is connected to the on-board high-voltage device.
  • the specified current limitation avoids high component stress and high current/voltage gradients.
  • (undesirable) electrical oscillation processes when the capacitors are precharged are damped by means of a so-called snubber is interrupted.
  • electromagnetic compatibility can be improved by using the snubber.
  • the snubber can be formed, for example, from a series connection of a capacitance, in particular at least one capacitor, and at least one ohmic resistor.
  • the ohmic resistor can preferably have a plurality of resistors connected to form a resistor network (ie connected in series and in parallel). Efficient passive or active cooling of the snubber can also be provided in this way.
  • the high-voltage battery on the vehicle can particularly preferably be a traction battery of an electric vehicle, which is charged at a high-voltage charging station by transferring the electrical energy from the charging station to the traction battery.
  • the reverse direction of transmission is also conceivable, in which electrical energy is transmitted from the traction battery to the charging station in order to feed it, for example, into a HV energy network connected to the charging station.
  • the vehicle has an energy transmission circuit for transmitting electrical energy between a high-voltage battery on the vehicle (e.g. traction battery of an electric vehicle) and a high-voltage device external to the vehicle (e.g. high-voltage energy network, high-voltage charging station, etc.).
  • a high-voltage battery on the vehicle e.g. traction battery of an electric vehicle
  • a high-voltage device external to the vehicle e.g. high-voltage energy network, high-voltage charging station, etc.
  • a first electrical high-voltage connection which is designed and set up to be electrically connected to the high-voltage battery for transmitting a first high voltage
  • a second electrical high-voltage connection which is designed and set up to be electrically connected to the high-voltage device for transmitting a second high voltage
  • an electrical low-voltage connection which is designed and set up to be electrically connected to a vehicle-side low-voltage battery for the transmission of a low voltage
  • a control device that is designed and set up to bring about the energy transfer in an active operating mode between the first high-voltage connection and the second high-voltage connection in a controlled manner and to control the energy transfer in an inactive operating mode between the first high-voltage connection and the second high-voltage connection interrupt, and
  • pre-charging circuit that is designed and configured to pre-charge electrically active capacitances between the first high-voltage connection and the second high-voltage connection for the transmission of electrical energy to a predetermined target voltage level under the control of the control device during the inactive operating mode before the control device switches to the active operating mode switches, with electrical energy required for precharging being fed from the high voltage present at the high-voltage connection.
  • the target voltage level can correspond to a nominal voltage level of the high-voltage battery, e.g. B. traction battery with 400 V or 800 V, or a nominal voltage level of the high-voltage device, e.g. B, charging station with 400V or 800V nominal voltage,
  • a unidirectional step-up converter for transferring the electrical energy between the high-voltage battery and the high-voltage device, in order to convert a high voltage provided by the high-voltage device to a higher voltage level for the high-voltage battery.
  • the unidirectional voltage conversion in this case takes place exclusively in one direction, in the present case from the vehicle-external HV device to the vehicle-side HV battery.
  • the invention is not necessarily limited to an exclusively unidirectional voltage conversion.
  • a bidirectional voltage converter can also be used and provided instead of the unidirectional step-up converter,
  • the boost converter can be a galvanically isolated boost converter, ie it can have a galvanic isolation between its primary side and secondary side.
  • the electrical isolation can also be provided with the aid of a separate relay, for example.
  • the pre-charging circuit has a step-down converter for pre-charging the capacitances to the target voltage level.
  • the step-down converter is fed on the primary side from the high-voltage battery.
  • the step-down converter is preferably controlled in such a way that a current for precharging the capacitances remains limited to a range between approximately 100 mA and approximately 1 A, preferably between 250 mA and 1 A, more preferably between 500 mA and 1 A. This ensures fast and efficient pre-charging so that the energy transfer can start shortly after the on-board high-voltage battery is connected to the on-board high-voltage device.
  • the specified current limitation avoids high component stress and high current/voltage gradients.
  • the precharging circuit has a snubber for electrical vibration damping has when precharging the capacities.
  • the snubber can be formed, for example, from a series connection of a capacitance, in particular at least one capacitor, and at least one ohmic resistor.
  • the ohmic resistor can preferably have a plurality of resistors connected to form a resistor network (ie connected in series and in parallel). Efficient passive or active cooling of the snubber can also be provided in this way.
  • an electric vehicle has a high-voltage battery (e.g. traction battery) for the electrical supply of an electric drive and an energy transmission circuit according to one of the configurations disclosed herein for transmitting electrical energy between the vehicle-side high-voltage battery and a vehicle-external one High-voltage device (e.g. high-voltage energy network, high-voltage charging station, etc.).
  • a high-voltage battery e.g. traction battery
  • an energy transmission circuit e.g. high-voltage energy network, high-voltage charging station, etc.
  • the high-voltage battery is electrically connected to the high-voltage connection of the energy transmission circuit.
  • FIG. 1 shows a functional diagram of an embodiment of an energy transmission circuit for a vehicle according to the invention
  • the high-voltage battery 3 can have a nominal voltage of 400 V or 800 V, for example, without however being necessarily limited to this. Other high voltage values between about 60 V and about 1000 V are also conceivable.
  • the high-voltage battery 3 is electrically connected to a first high-voltage connection 9 via an optional switching device 6, which has two controllable battery-side switching elements 7 and 8 (e.g. relays, transistors, etc.). Power transmission circuit 1 connected.
  • the switching device 6 is shown outside the energy transmission circuit 1 and thus as a separate component in FIG. 1, it should be understood that the switching device 6 can also be part of the energy transmission circuit 1.
  • the switching elements 7 and 8 connect the respective high-voltage connections HV+_Bat and HV-_Bat of the battery 3 to the energy transmission circuit 1.
  • the switching device 6 or the switching elements 7, 8 are presently controlled by a control device 10, which is a component of the Can be energy transmission circuit 1, at least a component of the vehicle 2 is.
  • FIG. 1 also shows a second high-voltage connection 11 to which, in the operating situation shown, a high-voltage device 12, in the present case (but not necessarily limited to this) a high-voltage charging station, is electrically connected.
  • the high-voltage device 12 has two high-voltage connections
  • HV+_CS_IN and HV-_CS_IN shown electrically connected to the power transmission circuit 1 .
  • a connection or charging cable 13 can be used for this purpose, for example.
  • the energy transmission circuit 1 shown in FIG. 1 can be switched between an inactive operating mode and an active operating mode. In the active operating mode, the energy transfer between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 is active. In the inactive operating mode, the energy transmission between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 is interrupted (inactive).
  • the operating modes can be controlled by the control device 10, for example by switching the switching elements 7 and 8, as well as other switching elements 15, 16 and/or 17 shown in FIG. B. as a relay, transistor and the like. Can be formed.
  • the energy transmission circuit 1 shown in FIG. 1 has a pre-charging circuit 20 .
  • this has a step-down converter 22 .
  • the pre-charging circuit 20 is designed and set up to pre-charge electrically active capacitances between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 for the transmission of electrical energy to a predetermined target voltage level under the control of the control device 10 during the inactive operating mode, before the control device 10 starts the electrical Energy transfer between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 switches to the active mode.
  • the electrical energy required for precharging is taken from the high voltage HV+_Bat, HV-_Bat of the HV battery 3 present at the high-voltage connection 9 .
  • the precharging circuit 20 in the present case has a so-called snubber 23 in order to effectively dampen (undesirable) electrical oscillation processes during the precharging of the capacitances.
  • snubber 23 in order to effectively dampen (undesirable) electrical oscillation processes during the precharging of the capacitances.
  • This allows interfering high frequencies or voltage peaks to be neutralized, which usually occur when switching inductive loads when the current flow is abruptly interrupted.
  • the electromagnetic compatibility of the energy transmission circuit 1 can be improved overall by using the snubber.
  • the snubber can be formed, for example, from a series connection of a capacitance and an ohmic resistance, as shown schematically in FIG. It goes without saying that a specific snubber circuit consists of an interconnection of a plurality of capacitors and a plurality of ohmic resistors (not shown), which can form a resistance network (ie series and parallel circuit), can be formed. This also enables efficient passive or active cooling of the snubber 23.
  • the capacitances that are electrically effective for the energy transmission can be capacitances that are formed, for example, from the connection lines 13 (eg high-voltage cable) of the high-voltage device 12 to the energy transmission circuit 1 .
  • Electronic components eg, capacitors, coils, etc.
  • These electronic components can themselves be part of the energy transmission circuit 1 and/or be provided in a separate circuit arrangement (not shown), which plays a functional role in the energy transmission.
  • FIG. 1 shows a unidirectional step-up converter 25 for transferring the electrical energy between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 in order to convert a high voltage provided by the high-voltage device 12 to a higher voltage level for the high-voltage battery 3 if necessary.
  • the step-up converter 25 is a DC-DC converter in which the magnitude of the output voltage is always greater than the magnitude of the input voltage.
  • the input voltage of the step-up converter is labeled Boost in FIG.
  • the step-up converter can be used for voltage transformation if the nominal voltage HV+_CS_IN, HV ⁇ _CS_IN (e.g. 400 V) provided by the high-voltage device 12 is lower than the nominal voltage HV+_Bat, HV-_Bat of the high-voltage battery 3 (e.g .800V).
  • the step-up converter 25 can be bypassed by closing the switching element 17 (bypass), so that the battery-side high-voltage potential HV_Bat is electrically connected directly to the device-side high-voltage potential HV_CS_IN is. Otherwise, the switching element 17 is switched open, so that the step-up converter 25 can carry out the (in the present case unidirectional) voltage adjustment accordingly. It is to be understood that in this case the step-up converter 25 shown in FIG. In addition, the invention is not necessarily limited to one unidirectional voltage converter 25 limited. In principle, a bidirectional voltage converter (not shown) can also be provided instead of the step-up converter 25 .
  • the step-down converter 22 converts the high voltage HV+_Bat, HV-_Bat present at the high-voltage connection 9 to the predetermined target voltage level, the in the present case corresponds to the high voltage level HV+_CS_IN, HV ⁇ _CS_IN provided by the HV device 12 (eg nominal voltage level of the high-voltage device 12 of 400 V).
  • the pre-charging circuit 20 pre-charges the capacitances to this target voltage level.
  • the step-down converter 22 can be controlled by the controller 10 to set a specific output voltage/current.
  • the step-down converter 22 has a control connection 24 for this purpose.
  • the control can take place, for example, via a pulse width modulation (i.e. PWM control).
  • a current for precharging the capacitances can be specifically limited to a range between approximately 100 mA and approximately 1 A, preferably between approximately 250 mA and 1 A, even more preferably between approximately 500 mA and 1 A, by means of the controller.
  • the electrically effective capacitances for the energy transmission can be used in combination with the following switching states of the switching elements 7, 8, 15, 16, 17, controlled by the control device 10 be subpoenaed.
  • the (optional) switches 7 and 8, if provided, can be closed.
  • the switch 15 can then be closed, ie the device-side potential HV+_CS_IN is connected to the battery-side potential HV+_Bat. If the facility-side nominal voltage (z. B. 400 V) below the battery-side nominal voltage (z. B.
  • the step-down converter 22 is activated to the effective capacities between the HV device 12 and the HV battery 3 on to precharge the target voltage level (in this case half the battery voltage HVm).
  • the control device 10 then switches over to the active operating mode by the switch 16 being closed is and ultimately the energy transfer between the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 3 via the step-up converter 25 is effected.
  • the controllable step-down converter 22 can optionally still be activated in order to would precharge to the target voltage level (in this case the full battery voltage HV+_Bat, HV-_Bat).
  • the controllable step-down converter 22 for pre-charging when the voltage levels between the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 3 are essentially the same also makes it possible to reliably avoid high current/voltage gradients and thus to reduce component stress.
  • control device 10 switches to the active operating mode in that the switch 17 (bypass) is now closed instead of the switch 16 and as a result the energy transmission between the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 3 is effected, bypassing the step-up converter 25 becomes.
  • FIG. 2 shows a flow chart of an embodiment of a method 30 according to the invention.
  • the control device 10 shown in FIG. 1 can be used.
  • the vehicle-side high-voltage battery 3 can be a traction battery of an electric vehicle 2, for example, which is charged at a charging station 12 by transferring the electrical energy from the charging station 12 to the traction battery 3, but without being necessarily limited to this. Feeding electrical energy from the high-voltage battery 3 into the high-voltage device 12 (eg a high-voltage network) is also conceivable.
  • the energy transmission circuit 1 is electrically connected to the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 in its inactive operating mode.
  • step 33 capacities that are electrically effective between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 for the transmission of electrical energy are set to a predetermined target voltage level by means of a pre-charging circuit, e.g. B. pre-charging circuit 20 of FIG. 1, electrically pre-charged.
  • a pre-charging circuit e.g. B. pre-charging circuit 20 of FIG. 1, electrically pre-charged.
  • the electrical energy required for precharging is taken from the high-voltage battery 3 in the vehicle.
  • the high voltage provided for electrical pre-charging can be reduced by means of a step-down converter, e.g. 1, to the predetermined target voltage level.
  • step 34 after precharging, the energy transfer circuit 1 is switched to its active operating mode (eg by the switching device 10) in order to effectively transfer the electrical energy between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12.
  • a step-up converter, z. B. step-up converter 25 from FIG. 1 used to adapt the voltage provided by the HV device 12 high voltage (z. B. 400 V) to the high voltage (z. B. 800 V) of the HV battery 3 to make possible. If both high voltages are essentially at the same high voltage level, the energy transmission can also be carried out while bypassing the step-up converter 25 .
  • Step 35 terminates method 30.
  • the energy transmission circuit according to the invention is used in an electric vehicle with a high-voltage battery (e.g. traction battery with 400 V, 800 V u, etc.), with the high-voltage battery preferably being used for the electrical supply of an electric drive of the vehicle serves the purpose of transferring electrical energy between the vehicle's high-voltage battery and a vehicle-external high-voltage device (e.g. high-voltage charging station) that is electrically connected to the energy transmission device, ie to charge the high-voltage battery at the charging station or to charge energy from the high-voltage battery to be fed into the vehicle-external high-voltage device (e.g., high-voltage network).
  • a vehicle-external high-voltage device e.g. high-voltage charging station

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Abstract

The invention relates to a method (30) for transferring electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery (3) and a vehicle-external high-voltage device (12), comprising the following steps: – providing an energy transfer circuit (1) which can be controllably switched between an active, energy-transferring operating mode and an inactive, energy-transfer-interrupting operating mode, – electrically connecting the energy transfer circuit (1) in the inactivated operating mode thereof to the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12), – electrically precharging capacitances (13) that are electrically effective between the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12) for the transfer of the electrical energy to a predetermined target voltage level by means of a precharge circuit (20), an electrical energy required for the precharging being drawn from the vehicle-side high-voltage battery (3), and – switching the energy transfer circuit (1) into the active operating mode thereof after the precharging in order to transfer the electrical energy between the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12). The invention furthermore relates to an energy transfer circuit (1) and to an electric vehicle (2) comprising such an energy transfer circuit (1) and a high-voltage battery (3).

Description

Verfahren sowie Energieübertragungsschaltung zum Übertragen elektri- scher Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbaterie und ei- ner fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung Method and energy transmission circuit for transmitting electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery and a vehicle-external high-voltage device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvoltein- richtung, an welche die Hochvoltbatterie nach Bedarf elektrisch anschließbar ist, beispielsweise zur Energieaufnahme (d. h. batterieseitiges Laden) oder zur Ener- gieabgabe (d. h. batterieseitiges Entladen), The invention relates to a method for transferring electrical energy between an on-board high-voltage battery and a high-voltage device external to the vehicle, to which the high-voltage battery can be electrically connected as required, for example for energy consumption (i.e. battery-side charging) or for energy delivery (i.e. battery-side discharging),
Die Erfindung betrifft ferner eine Energieübertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung, an weiche die Hochvoltbatterie nach Bedarf elektrisch anschließbar ist, Außerdem betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) und einer Energieübertragungs- schaltung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B. Ladesta- tion), The invention also relates to an energy transmission circuit for transmitting electrical energy between a high-voltage battery on the vehicle and a high-voltage device external to the vehicle, to which the high-voltage battery can be electrically connected as required. The invention also relates to an electric vehicle with a high-voltage battery (e.g. traction battery) and an energy transmission circuit for transferring electrical energy between the vehicle's high-voltage battery and an external high-voltage device (e.g. charging station),
Beim Zuschalten hoher Kapazitäten (z, B. Kabel) an ein Hochspannungsnetz (z, B.When connecting high capacities (e.g. cables) to a high-voltage network (e.g.
Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs, fahrzeugexternes Hochvoltenergienetz, Hoch- voltladestation und dergleichen) kommt es bei nicht angeglichenen Spannungsla- gen zu einem sehr hohen Stromfluss und gegebenenfalls zur Schädigung der Kom- ponenten. Um solche Schäden zu vermeiden, sollten die Kapazitäten auf ein ähn- liches Spannungsniveau vorgeladen werden, wie es das Hochspannungsnetz bie- tet. high-voltage on-board network of a vehicle, vehicle-external high-voltage energy network, high-voltage charging station and the like) if the voltage levels are not equalized, there will be a very high current flow and the components may be damaged. In order to avoid such damage, the capacities should be pre-charged to a voltage level similar to that offered by the high-voltage network.
Elektrofahrzeuge weisen gewöhnlich eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) als Energiespeicher mit beispielsweise 400 V oder 800 V Nennspannung auf. Unter Hochspannung wird im Sinne der Erfindung eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1000 V. Als Niederspannung wird entsprechend eine elektrische Gleich- spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, z. B. 12 V, 24 V oder 48 V. Electric vehicles usually have a high-voltage battery (e.g. traction battery) as an energy storage device with a nominal voltage of 400 V or 800 V, for example. In the context of the invention, high voltage is understood to mean an electrical direct voltage of greater than 60 V, in particular greater than 200 V, e.g. 400 V or 800 V to about 1000 V. Correspondingly, low voltage is understood to mean an electrical DC voltage of less than or equal to 60 V, e.g. B. 12V, 24V or 48V.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Energieübertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung bereitzustellen sowie ein Elektrofahrzeug, die eine sichere und zuverlässige Energieübertragung zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und der fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung gewährleisten. Insbesondere sollen fahrzeugseitige wie auch einrichtungsseitige Komponenten zu Beginn der Energie- übertragung vor Schäden geschützt sein, die durch die zwischen der Hochvoltbat- terie und der Hochvolteinrichtung für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksamen, zugeschalteten Kapazitäten durch einen zu hohen Strom- fluss verursacht werden können. Zudem sollen das Verfahren und die Energieüber- tragungsschaltung technisch einfach zu implementieren sein und die Energieüber- tragungsschaltung sowie das Elektrofahrzeug kompakt und mit geringem Gewicht bauen und nicht zuletzt kostengünstig herstellbar sein. Darüber hinaus sollen die Einsatzmöglichkeiten zur Energieübertragung zwischen der fahrzeugseitigen Hoch- voltbatterie und der fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung erweitert werden. Against this background, the invention is based on the object of providing a method and an energy transmission circuit for transmitting electrical energy provide between an on-board high-voltage battery and an off-board high-voltage device and an electric vehicle that ensure safe and reliable energy transfer between the on-board high-voltage battery and the off-board high-voltage device. In particular, vehicle-side and device-side components should be protected at the beginning of the energy transfer from damage that can be caused by the switched-on capacitances between the high-voltage battery and the high-voltage device for the transmission of electrical energy due to an excessive current flow . In addition, the method and the energy transmission circuit should be technically easy to implement and the energy transmission circuit and the electric vehicle should be compact and lightweight and last but not least be inexpensive to produce. In addition, the possible uses for energy transfer between the vehicle's high-voltage battery and the vehicle's external high-voltage device are to be expanded.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Energieübertragungsschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 so- wie durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Wei- tere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jewei- ligen Unteransprüche. This object is achieved by a method having the features of claim 1, by an energy transmission circuit having the features of claim 9 and by an electric vehicle having the features of claim 14. Further, particularly advantageous refinements of the invention are disclosed in the respective dependent claims.
Es Ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merk- male in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden kön- nen (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrich- tung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschrei- bung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammen- hang mit den Figuren zusätzlich. It should be pointed out that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically sensible way (even across category boundaries, for example between method and device) and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder" stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegen- stands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausge- staltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein kön- nen. Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa" einen Toleranzbereich ange- ben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht, Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa" ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen, It should also be noted that a conjunction "and/or" used herein, standing between two features and linking them together, must always be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second configuration only the second feature can be present and in a third configuration both the first and the second feature can be present. In addition, the term "approximately" used herein is intended to indicate a tolerance range which the person skilled in the art working in the present field regards as usual. In particular, the term "approximately" preferably includes a tolerance range of the related size of up to a maximum of +/-20% to understand up to a maximum of +/-10%,
Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie zwi- schen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (z, B, Traktionsbatterie eines Elekt- rofahrzeugs) und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B, Hochvoltener- gienetz, Hochvoltladestation und dergleichen) die Schritte auf; According to the invention, a method for transmitting electrical energy between an on-board high-voltage battery (e.g., traction battery of an electric vehicle) and a vehicle-external high-voltage device (e.g., high-voltage energy network, high-voltage charging station and the like) has the steps;
- Bereitstellen einer Energieübertragungsschaltung, die steuerbar zwischen einer aktiven, energieübertragenden Betriebsart und einer inaktiven, die Energieübertragung unterbrechenden Betriebsart geschaltet werden kann, - elektrisches Anschließen der Energieübertragungsschaltung in ihrer Inak- tiv geschalteten Betriebsart an die Hochvoltbatterie und die Hochvoltein- richtung, - providing an energy transmission circuit that can be switched controllably between an active, energy-transmitting operating mode and an inactive, energy transmission-interrupting operating mode, - electrically connecting the energy transmission circuit in its inactive switched operating mode to the high-voltage battery and the high-voltage device,
- elektrisches Vorladen von zwischen der Hochvoltbatterie und der Hochvol- teinrichtung für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirk- samen Kapazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau mittels einer Vorladeschaltung, wobei eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie entnommen wird, und- Electrically pre-charging between the high-voltage battery and the high-voltage device for the transmission of the electrical energy electrically active capacities to a predetermined target voltage level by means of a pre-charging circuit, with electrical energy required for pre-charging being taken from the vehicle's high-voltage battery, and
- Schalten der Energieübertragungsschaltung in ihre aktive Betriebsart nach dem Vorladen, um die elektrische Energie zwischen der Hochvoltbatterie und der Hochvolteinrichtung zu übertragen. - Switching the energy transfer circuit to its active mode after pre-charging in order to transfer the electrical energy between the high-voltage battery and the high-voltage device.
Die Energieübertragungsschaltung kann allgemein als eine Schaltung verstanden werden, die ausgebildet ist, die elektrische Energie zwischen der angeschlossenen Hochvoitbatterie (hierin auch als HV- Batterie bezeichnet) und der ebenfalls ange- schlossenen Hochvolteinrichtung (hierin auch als HV-Einrichtung bezeichnet) zu übertragen. Hierbei kann die Energieübertragungsrichtung der Energieübertra- gungsschaltung einmalig fest vorgegeben und unveränderbar sein, also unidirek- tional, Die Energieübertragungsschaltung kann jedoch auch ausgebildet sein, die Energieübertragungsrichtung zwischen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung je nach Betriebsanforderung zu steuern, d. h. zwischen zwei möglichen Übertra- gungsrichtungen wahlweise umzuschalten (bidirektionale Energieübertragung). Weiterhin kann die Energieübertragungsschaitung zur Energieübertragung einen oder mehrere Spannungswandler aufweisen, ohne jedoch zwingend hierauf be- schränkt zu sein. Die Energieübertragungsschaltung kann in einfachster Ausge- staltung beispielsweise lediglich als einfache, jedoch zwischen der aktiven und der inaktiven Betriebsart schaltbare Stromdurchleitung fungieren. The energy transfer circuit can be understood generally as a circuit that is designed to transfer the electrical energy between the connected high-voltage battery (herein also referred to as HV battery) and the likewise connected high-voltage device (here also referred to as HV device). The energy transmission direction of the energy transmission circuit can be predefined once and cannot be changed, i.e. unidirectional. However, the energy transmission circuit can also be designed to control the energy transmission direction between the HV battery and the HV device depending on the operating requirement, ie between two possible ones Transmission directions can be optionally switched (bidirectional energy transmission). Furthermore, the energy transmission circuit for energy transmission can have one or more voltage converters, but without being necessarily limited to this. In the simplest configuration, the energy transmission circuit can, for example, only function as a simple current feedthrough that can, however, be switched between the active and the inactive operating mode.
Die für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten können Kapazi- täten sein, die von Anschlussleitungen (z. B. Hochvoltkabel) der HV-Batterie bzw. der HV-Einrichtung zur Energieübertragungsschaltung gebildet sind. Zudem kön- nen auch zwischen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung wirksame elektronische Bauteile (z. B. Kondensatoren, Spulen usw.) zu dieser Kapazität beitragen. Diese elektronischen Bauteile können selbst Bestandteil der Energieübertragungsschal- tung sein und/oder in einer zusätzlich zur Energieübertragungsschaltung bereitge- stellten Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die für die Energieübertragung eine funktioneile Rolle spielt, wie beispielsweise Schaltungen zur Spannungswand- lung, -reglung, -begrenzung und dergleichen. The capacitances that are electrically effective for the energy transmission can be capacitances that are formed by connection lines (eg high-voltage cables) of the HV battery or the HV device to the energy transmission circuit. Electronic components (e.g. capacitors, coils, etc.) that are active between the HV battery and the HV device can also contribute to this capacitance. These electronic components can themselves be part of the energy transmission circuit and/or be provided in a circuit arrangement that is provided in addition to the energy transmission circuit and plays a functional role in the energy transmission, such as circuits for voltage conversion, regulation, limitation and the like .
Es ist zu verstehen, dass durch das elektrische Anschließen der Energieübertra- gungsschaltung an die Hochvoltbatterie und die Hochvolteinrichtung während in der inaktiven Betriebsart noch keine wirksam elektrisch leitende Verbindung zwi- schen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung hergestellt wird. Hierzu kann die Energieübertragungsschaltung beispielsweise zumindest ein steuerbares Schalt- element aufweisen (z. B. Relais, Transistor etc.), das zwischen einem geöffneten (d. h. elektrisch unterbrochenen) und einem geschlossenen (d. h. elektrisch leit- fähigen) Zustand geschaltet werden kann. It is to be understood that electrically connecting the energy transfer circuit to the high-voltage battery and the high-voltage device while in the inactive operating mode does not yet establish an effective electrically conductive connection between the HV battery and the HV device. For this purpose, the energy transmission circuit can have, for example, at least one controllable switching element (e.g. relay, transistor etc.) which can be switched between an open (ie electrically interrupted) and a closed (ie electrically conductive) state.
Der Erfindung sieht vor, dass das Vorladen der Kapazitäten vor der eigentlichen Energieübertragung mit Energie aus der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) durchgeführt wird. Die Hochvoltbatterie ist grundsätzlich vorge- sehen, ein Hochvoltbordnetz (z. B. 400 V, 800 V) des Fahrzeugs zu versorgen, beispielsweise einen Elektroantrieb des (Elektro-)Fahrzeugs. Das Verfahren lässt sich mit geringen Zusatzkosten und im Wesentlichen ohne zusätzliches Gewicht in einem kompakten Aufbau implementieren. Das Vorladen der Kapazitäten gewährleistet eine sichere und zuverlässige Ener- gieübertragung zwischen der fahrzeugseitigen HV- Batterie und der fahrzeugexter- nen HV-Einrichtung, indem Schäden durch sehr hohe Ausgleichsströme zu Beginn der Energieübertragung vermieden werden. Das durch die Vorladung zu errei- chende Zielspannungsniveau kann entsprechend der Betriebs- bzw. Nennspannun- gen der HV-Batterie und/oder der HV-Einrichtung derart geeignet vorbestimmt werden, dass Ausgleichsströme beim Schalten der Energieübertragungsschaltung in ihre aktive Betriebsart zumindest signifikant verringert oder im Wesentlichen ganz vermieden werden. The invention provides that the capacities are precharged before the actual energy transmission with energy from the vehicle's high-voltage battery (eg traction battery). The high-voltage battery is basically intended to supply a high-voltage electrical system (eg 400 V, 800 V) of the vehicle, for example an electric drive of the (electric) vehicle. The method can be implemented in a compact structure with little additional cost and substantially no additional weight. The pre-charging of the capacities ensures safe and reliable energy transmission between the vehicle's HV battery and the vehicle's external HV device by avoiding damage caused by very high compensating currents at the beginning of the energy transmission. The target voltage level to be achieved by the pre-charging can be suitably predetermined according to the operating or nominal voltages of the HV battery and/or the HV device in such a way that equalizing currents are at least significantly reduced when the energy transmission circuit is switched to its active operating mode or be avoided entirely.
Weiterhin ermöglicht die Erfindung ebenso eine technisch einfache Integration in bereits bestehende elektrische Systeme, z» B. Elektrofahrzeuge, da das erfin- dungsgemäße Vorladen unabhängig von einer Differenz der Spannungslagen zwi- schen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung erfolgt. Dies bietet einen großen Vorteil hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten, wenn beispielsweise ein Elektrofahr- zeug mit einer Hochvoltbatterie von 800 V Nennspannung an einer 400 V-Ladesta- tion geladen werden soll. Furthermore, the invention also enables technically simple integration into existing electrical systems, eg electric vehicles, since the pre-charging according to the invention takes place independently of a difference in the voltage levels between the HV battery and the HV device. This offers a major advantage in terms of possible uses, for example if an electric vehicle with a high-voltage battery with a nominal voltage of 800 V is to be charged at a 400 V charging station.
Das Zielspannungsniveau kann einem Nennspannungsniveau der Hochvoltbatterie entsprechen, z. B. Traktionsbaterie mit 400 V oder 800 V, oder einem Nennspan- nungsniveau der Hochvolteinrichtung, z. B. Ladestation mit 400 V oder 800 V Nennspannung. The target voltage level can correspond to a nominal voltage level of the high-voltage battery, e.g. B. traction battery with 400 V or 800 V, or a nominal voltage level of the high-voltage device, z. B. Charging station with 400 V or 800 V nominal voltage.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nach dem Schalten der Energieübertragungsschaltung in ihre aktive Betriebsart zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbatterie und der Hochvolteinrichtung eine von der Hochvolteinrichtung bereitgestellte Hochspannung auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie mittels eines unidirektionalen Aufwärts- wandlers gewandelt wird. Beim Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Hochvolt- batterie von 800 V Nennspannung an einer 400 V-Ladestation kann die 400 V-La- destation nach dem Anschließen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie vor der ei- gentlichen Aktivierung der Energieübertragung fahrzeugseitig ebenfalls ein 400 V- Potential erwarten, ohne welches die Energieübertragung von der Ladestation nicht gestartet/durchgeführt wird. Dieses kann von der 800 V-Batterie des Fahr- zeugs nicht unmittelbar zur Verfügung gestellt werden. Zudem kann der unidirek- tionale Aufwärtswandler zur Spannungsanpassung der einrichtungsseitig zur Verfügung gestellten 400 V auf die fahrzeugseitig benötigten 800 V das von der Ladestation erwartete 400 V-Potential nicht bereitstellen. Erfindungsgemäß wird dieses elektrische Potential durch die mittels der Vorladeschaltung bewirkte Vorla- dung auf das bestimmte Zielspannungsniveau (z. B. 400 V) bereitgestellt, so dass ein elektrisches Fahrzeug mit einer 800 V-Batterie nun grundsätzlich an allen La- destationen, die lediglich 400 V Ladespannung zur Verfügung stellen, geladen wer- den kann. Die Einsatzmöglichkeiten zur Energieübertragung zwischen der fahr- zeugseitigen Hochvoltbatterie und der fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung sind hierdurch wesentlich erweitert, An advantageous embodiment of the invention provides that after the energy transfer circuit has been switched to its active operating mode for transferring the electrical energy between the high-voltage battery and the high-voltage device, a high voltage provided by the high-voltage device is converted to a higher voltage level for the high-voltage battery by means of a unidirectional step-up converter . When charging an electric vehicle with a high-voltage battery with a nominal voltage of 800 V at a 400 V charging station, the 400 V charging station can also expect a 400 V potential after connecting the vehicle's high-voltage battery before the actual activation of the energy transfer on the vehicle's side. without which the energy transfer from the charging station will not be started/performed. This cannot be provided directly by the vehicle's 800 V battery. In addition, the unidirectional step-up converter can be used to adjust the voltage on the device side provided 400 V to the 800 V required on the vehicle side does not provide the 400 V potential expected by the charging station. According to the invention, this electrical potential is provided by the pre-charging effected by the pre-charging circuit to the specific target voltage level (e.g. 400 V), so that an electric vehicle with an 800 V battery can now basically be charged at all charging stations that only have 400 V make charging voltage available, can be charged. This significantly expands the possible uses for energy transfer between the on-board high-voltage battery and the off-board high-voltage device,
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird die Hochspannung zwischen der Hochvolteinrichtung und der Hochvoltbatterie galva- nisch getrennt gewandelt wird. Die von dem Aufwärtswandler gewandelte Span- nung und Strom können hierbei gezielt im Sinne einer effizienten Energieübertra- gung ohne Überlastung gesteuert und begrenzt werden, Der Aufwärtswandler kann selbst eine galvanische Trennung zwischen seiner Primärseite und Sekundärseite aufweisen oder die galvanische Trennung kann durch ein separates Relais realisiert werden. According to an advantageous development of the subject matter of the invention, the high voltage between the high-voltage device and the high-voltage battery is converted galvanically separately. The voltage and current converted by the step-up converter can be specifically controlled and limited in terms of efficient energy transmission without overloading. The step-up converter itself can have galvanic isolation between its primary side and secondary side, or the galvanic isolation can be implemented by a separate relay become.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Vorladen der Kapazitäten auf das Zielspannungsniveau mittels eines Abwärtswandlers durchgeführt wird, der aus der Hochvoltbatterie gespeist wird. Der Abwärtswandler ist ein schaltender Gleichspannungswandler, bei dem die Ausgangsspannung ist stets kleiner gleich dem Betrag der Eingangsspannung ist. Neben der eigentlichen Abwärtswandlung der Eingangsspannung auf die Ausgangsspannung kann der Ab- wärtswandler ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden, um beim Vorladen einen Bauteilstress zu verringern und hohe Strom-/5pannungsgradienten zu vermeiden. A further advantageous embodiment of the invention provides that the capacitors are precharged to the target voltage level by means of a step-down converter which is fed from the high-voltage battery. The step-down converter is a switching DC-DC converter in which the output voltage is always less than or equal to the magnitude of the input voltage. In addition to the actual step-down conversion of the input voltage to the output voltage, the step-down converter can also be used advantageously in order to reduce component stress during pre-charging and to avoid high current/voltage gradients.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen etwa 100 mA und etwa 1 A, bevorzugt zwischen 250 mA und 1 A, noch bevorzugterzwischen 500 mA und 1 A, begrenzt. Dies stellt eine schnelle, effiziente Vorladung sicher, so dass die Ener- gieübertragung bereits kurz nach dem Anschließen der fahrzeugseitigen Hochvolt- batterie an die fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung beginnen kann. Zusätzlich vermeidet die angegebene Strombegrenzung hohen Bauteilstress und hohe Strom - /Spannungsgradienten. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wer- den (unerwünschte) elektrische Schwingungsvorgänge beim Vorladen der Kapazi- täten mittels eines so genannten Snubbers gedämpft, Insbesondere lassen sich hierdurch störende Hochfrequenzen oder Spannungsspitzen neutralisieren, die meist beim Schalten induktiver Lasten auftreten, wenn der Stromfluss abrupt un- terbrochen wird. Zusätzlich lässt sich durch den Einsatz des Snubbers die elektro- magnetische Verträglichkeit verbessern. According to a further advantageous embodiment of the invention, a current for precharging the capacitances is limited to a range between approximately 100 mA and approximately 1 A, preferably between 250 mA and 1 A, even more preferably between 500 mA and 1 A. This ensures fast, efficient pre-charging so that the energy transfer can begin shortly after the on-board high-voltage battery is connected to the on-board high-voltage device. In addition, the specified current limitation avoids high component stress and high current/voltage gradients. According to another advantageous development of the subject matter of the invention, (undesirable) electrical oscillation processes when the capacitors are precharged are damped by means of a so-called snubber is interrupted. In addition, electromagnetic compatibility can be improved by using the snubber.
Der Snubber kann beispielsweise aus einer Reihenschaltung einer Kapazität, ins- besondere wenigstens ein Kondensator, und wenigstens einem ohmschen Wider- stand gebildet werden. Bevorzugt kann der ohmsche Widerstand mehrere, zu ei- nem Widerstandsnetzwerk verschaltete (d. h. Reihen- und Parallelschaltung), Wi- derstände aufweisen. Hierdurch kann ebenso eine effiziente passive oder aktive Kühlung des Snubbers bereitgestellt werden. The snubber can be formed, for example, from a series connection of a capacitance, in particular at least one capacitor, and at least one ohmic resistor. The ohmic resistor can preferably have a plurality of resistors connected to form a resistor network (ie connected in series and in parallel). Efficient passive or active cooling of the snubber can also be provided in this way.
Besonders bevorzugt kann die fahrzeugseitige Hochvoltbatterie vorzugsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs sein, die an einer Hochspannungsladesta- tion durch Übertragen der elektrischen Energie von der Ladestation in die Trakti- onsbatterie geladen wird. Denkbar ist grundsätzlich auch die umgekehrte Übertra- gungsrichtung, bei der elektrische Energie aus der Traktionsbatterie zur Ladesta- tion übertragen wird, um diese beispielsweise in ein an die Ladestation angeschlos- senes HV-Energienetz einzuspeisen. The high-voltage battery on the vehicle can particularly preferably be a traction battery of an electric vehicle, which is charged at a high-voltage charging station by transferring the electrical energy from the charging station to the traction battery. In principle, the reverse direction of transmission is also conceivable, in which electrical energy is transmitted from the traction battery to the charging station in order to feed it, for example, into a HV energy network connected to the charging station.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Energieübertragungsschal- tung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hoch- voltbatterie (z, B. Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs) und einer fahrzeugex- ternen Hochvolteinrichtung (z. B. Hochvoltenergienetz, Hochvoltladestation u, dgl.) auf: According to a further aspect of the invention, it has an energy transmission circuit for transmitting electrical energy between a high-voltage battery on the vehicle (e.g. traction battery of an electric vehicle) and a high-voltage device external to the vehicle (e.g. high-voltage energy network, high-voltage charging station, etc.). :
- einen ersten elektrischen Hochvoltanschluss, der ausgebildet und einge- richtet ist, mit der Hochvoltbatterie zur Übertragung einer ersten Hoch- spannung elektrisch verbunden zu werden, - a first electrical high-voltage connection, which is designed and set up to be electrically connected to the high-voltage battery for transmitting a first high voltage,
- einen zweiten elektrischen Hochvoltanschluss, der ausgebildet und einge- richtet ist, mit der Hochvolteinrichtung zur Übertragung einer zweiten Hochspannung elektrisch verbunden zu werden, - einen elektrischen Niedervoltanschluss, der ausgebildet und eingerichtet ist, mit einer fahrzeugseitigen Niedervoltbatterie zur Übertragung einer Niederspannung elektrisch verbunden zu werden, - a second electrical high-voltage connection, which is designed and set up to be electrically connected to the high-voltage device for transmitting a second high voltage, - an electrical low-voltage connection, which is designed and set up to be electrically connected to a vehicle-side low-voltage battery for the transmission of a low voltage,
- eine Steuereinrichtung, die ausgebildet und eingerichtet ist, die Energie- übertragung in einer aktiven Betriebsart zwischen dem ersten Hochvolt- anschluss und dem zweiten Hochvoltanschluss gesteuert zu bewirken und die Energieübertragung in einer inaktiven Betriebsart zwischen dem ers- ten Hochvoltanschluss und dem zweiten Hochvoltanschluss gesteuert zu unterbrechen, und - A control device that is designed and set up to bring about the energy transfer in an active operating mode between the first high-voltage connection and the second high-voltage connection in a controlled manner and to control the energy transfer in an inactive operating mode between the first high-voltage connection and the second high-voltage connection interrupt, and
- eine Vorladeschaltung, die ausgebildet und eingerichtet ist, zwischen dem ersten Hochvoltanschluss und dem zweiten Hochvoltanschluss für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksame Kapazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau von der Steuereinrichtung wäh- rend der inaktiven Betriebsart gesteuert vorzuladen, bevor die Steuerein- richtung in die aktive Betriebsart schaltet, wobei eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie aus der am Hochvoltan- schluss anliegenden Hochspannung gespeist ist. - a pre-charging circuit that is designed and configured to pre-charge electrically active capacitances between the first high-voltage connection and the second high-voltage connection for the transmission of electrical energy to a predetermined target voltage level under the control of the control device during the inactive operating mode before the control device switches to the active operating mode switches, with electrical energy required for precharging being fed from the high voltage present at the high-voltage connection.
Es ist zu verstehen, dass bezüglich schaltungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile schaltungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsge- mäßen Verfahrens zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Das heißt, Offen- barungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens können in sinnge- mäßer Weise ebenso zur Definition der Energieübertragungsschaltung herangezo- gen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso können Of- fenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Energieübertragungsschal- tung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens her- angezogen werden, sofern dies nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merk- male, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären. It is to be understood that with regard to circuit-related definitions of terms and the effects and advantages of circuit-related features, the disclosure of analogous definitions, effects and advantages of the method according to the invention can be fully accessed and vice versa. This means that disclosures made here with regard to the method according to the invention can also be used analogously to define the energy transmission circuit, unless this is expressly excluded. Likewise, disclosures herein relating to the energy transmission circuit according to the invention can be used analogously to define the method according to the invention, unless this is also expressly excluded. In this respect, explanations of the same features, their effects and advantages are largely dispensed with in favor of a more compact description, without such omissions having to be interpreted as a restriction for the respective subject matter of the invention.
Beispielsweise kann das Zielspannungsniveau einem Nennspannungsniveau der Hochvoltbatterie entsprechen, z. B. Traktionsbatterie mit 400 V oder 800 V, oder einem Nennspannungsniveau der Hochvolteinrichtung, z. B, Ladestation mit 400 V oder 800 V Nennspannung, For example, the target voltage level can correspond to a nominal voltage level of the high-voltage battery, e.g. B. traction battery with 400 V or 800 V, or a nominal voltage level of the high-voltage device, e.g. B, charging station with 400V or 800V nominal voltage,
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein unidirektionaler Auf- wärtswandler zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbat- terie und der Hochvolteinrichtung vorgesehen ist, um eine von der Hochvoltein- richtung bereitgestellte Hochspannung auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie zu wandeln. Insbesondere findet die unidirektionaie Spannungs- wandlung in diesem Fall ausschließlich in eine Richtung, vorliegend von der fahr- zeugexternen HV-Einrichtung zur fahrzeugseitigen HV-Batterie, statt. Es ist anzu- merken, dass die Erfindung nicht zwingend auf eine ausschließlich unidirektionaie Spannungswandlung beschränkt ist. Ein bidirektionaler Spannungswandler kann grundsätzlich ebenso verwendet werden und anstelle des unidirektionalen Auf- wärtswandlers vorgesehen sein, According to an advantageous embodiment of the invention, a unidirectional step-up converter is provided for transferring the electrical energy between the high-voltage battery and the high-voltage device, in order to convert a high voltage provided by the high-voltage device to a higher voltage level for the high-voltage battery. In particular, the unidirectional voltage conversion in this case takes place exclusively in one direction, in the present case from the vehicle-external HV device to the vehicle-side HV battery. It should be noted that the invention is not necessarily limited to an exclusively unidirectional voltage conversion. In principle, a bidirectional voltage converter can also be used and provided instead of the unidirectional step-up converter,
Der Aufwärtswandler kann ein galvanisch getrennter Aufwärtswandler sein, das heißt eine galvanische Trennung zwischen seiner Primärseite und Sekundärseite aufweisen. Die galvanische Trennung kann alternativ beispielsweise auch mit Hilfe eines separaten Relais bereitgestellt sein. The boost converter can be a galvanically isolated boost converter, ie it can have a galvanic isolation between its primary side and secondary side. Alternatively, the electrical isolation can also be provided with the aid of a separate relay, for example.
Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorladeschaltung einen Abwärtswandler zum Vorladen der Kapazitäten auf das Zielspannungsniveau auf. Der Abwärtswandler ist primärseitig aus der Hochvolt- batterie gespeist. ' According to yet another advantageous embodiment of the invention, the pre-charging circuit has a step-down converter for pre-charging the capacitances to the target voltage level. The step-down converter is fed on the primary side from the high-voltage battery. '
Der Abwärtswandler wird bevorzugt so gesteuert, dass ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen etwa 100 mA und etwa 1 A, bevorzugt zwischen 250 mA und 1 A, noch bevorzugter zwischen 500 mA und 1 A, begrenzt bleibt. Dies stellt eine schnelle und effiziente Vorladung sicher, so dass die Ener- gieübertragung kurz nach dem Anschließen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie an die fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung starten kann. Zusätzlich vermeidet die angegebene Strombegrenzung hohen Bauteilstress und hohe Strom-/Spannungs- gradienten. The step-down converter is preferably controlled in such a way that a current for precharging the capacitances remains limited to a range between approximately 100 mA and approximately 1 A, preferably between 250 mA and 1 A, more preferably between 500 mA and 1 A. This ensures fast and efficient pre-charging so that the energy transfer can start shortly after the on-board high-voltage battery is connected to the on-board high-voltage device. In addition, the specified current limitation avoids high component stress and high current/voltage gradients.
Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass die Vorladeschaltung einen Snubber zur elektrischen Schwingungsdämpfung beim Vorladen der Kapazitäten aufweist. Der Snubber kann beispielsweise aus ei- ner Reihenschaltung einer Kapazität, insbesondere wenigstens ein Kondensator, und wenigstens einem ohmschen Widerstand gebildet sein. Bevorzugt kann der ohmsche Widerstand mehrere, zu einem Widerstandsnetzwerk verschaltete (d. h. Reihen- und Parallelschaltung), Widerstände aufweisen. Hierdurch kann ebenso eine effiziente passive oder aktive Kühlung des Snubbers bereitgestellt werden. Yet another advantageous embodiment of the subject matter of the invention provides that the precharging circuit has a snubber for electrical vibration damping has when precharging the capacities. The snubber can be formed, for example, from a series connection of a capacitance, in particular at least one capacitor, and at least one ohmic resistor. The ohmic resistor can preferably have a plurality of resistors connected to form a resistor network (ie connected in series and in parallel). Efficient passive or active cooling of the snubber can also be provided in this way.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Elektrofahrzeug eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) zur elektrischen Versorgung eines Elekt- roantriebs und eine Energieübertragungsschaltung gemäß einer der hierin offen- barten Ausgestaltungen zum Übertragen elektrischer Energie zwischen der fahr- zeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B. Hochvoltenergienetz, Hochvoltladestation u. dgl.) auf. Die Hochvoltbatterie ist hierbei elektrisch mit dem Hochvoltanschluss der Energieübertragungsschaltung verbunden. According to yet another aspect of the invention, an electric vehicle has a high-voltage battery (e.g. traction battery) for the electrical supply of an electric drive and an energy transmission circuit according to one of the configurations disclosed herein for transmitting electrical energy between the vehicle-side high-voltage battery and a vehicle-external one High-voltage device (e.g. high-voltage energy network, high-voltage charging station, etc.). In this case, the high-voltage battery is electrically connected to the high-voltage connection of the energy transmission circuit.
Auch bezüglich fahrzeugbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile fahrzeuggemäßer Merkmale ist zu verstehen, dass vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsge- mäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Energieübertragungsschaltung zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Auf eine Wiederholung von Erläute- rungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile wird daher nachstehend zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfin- dungsgegenstand auszulegen wären. Also with regard to vehicle-related definitions of terms and the effects and advantages of vehicle-specific features, it is to be understood that the disclosure of analogous definitions, effects and advantages of the method according to the invention and the energy transmission circuit according to the invention can be fully used and vice versa. A repetition of explanations of the same features, their effects and advantages is therefore largely dispensed with below in favor of a more compact description, without such omissions having to be interpreted as a restriction for the respective subject matter of the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be- schreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfin- dung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch: Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are not to be understood as limiting, and which are explained in more detail below with reference to the drawing. In this drawing show schematically:
Fig. 1 ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Energie- übertragungsschaltung für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung und 1 shows a functional diagram of an embodiment of an energy transmission circuit for a vehicle according to the invention and
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Verfahrens ge- mäß der Erfindung, In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. 2 shows a flowchart of an embodiment of a method according to the invention, In the different figures, parts that are equivalent in terms of their function are always provided with the same reference symbols, so that they are usually only described once.
Fig. 1 stellt schematisch ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Energieübertragungsschaltung 1 für ein Fahrzeug 2 gemäß der Erfindung dar. Das Fahrzeug kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielsweise ein Elektro- fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie 3 (z. B. Traktionsbatterie) sein. Die Hochvolt- batterie 3 kann beispielsweise eine Nennspannung von 400 V oder 800 V aufwei- sen, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Andere Hochspannungs- werte zwischen etwa 60 V und etwa 1000 V sind ebenfalls denkbar. 1 schematically shows a functional diagram of an embodiment of an energy transmission circuit 1 for a vehicle 2 according to the invention. The high-voltage battery 3 can have a nominal voltage of 400 V or 800 V, for example, without however being necessarily limited to this. Other high voltage values between about 60 V and about 1000 V are also conceivable.
Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die Hochvoltbatterie 3 über eine optionale Schalt- einrichtung 6, die zwei steuerbare batterieseitige Schaltelemente 7 und 8 (z. B. Relais, Transistor u. dgl.) aufweist, elektrisch an einen ersten Hochvoltanschluss 9 der Energieübertragungsschaltung 1 angeschlossen. In Fig. 1 ist die Sch altein rieh - tung 6 zwar außerhalb der Energieübertragungsschaltung 1 und damit als eine separate Komponente dargestellt, es ist jedoch zu verstehen, dass die Schaltein- richtung 6 ebenso Teil der Energieübertragungsschaltung 1 sein kann. As can be seen in FIG. 1, the high-voltage battery 3 is electrically connected to a first high-voltage connection 9 via an optional switching device 6, which has two controllable battery-side switching elements 7 and 8 (e.g. relays, transistors, etc.). Power transmission circuit 1 connected. Although the switching device 6 is shown outside the energy transmission circuit 1 and thus as a separate component in FIG. 1, it should be understood that the switching device 6 can also be part of the energy transmission circuit 1.
Die Schaltelemente 7 und 8 verbinden die jeweiligen Hochvoltanschlüsse HV+_Bat und HV-_Bat der Batterie 3 mit der Energieübertragungsschaltung 1. Die Schalt- einrichtung 6 bzw. die Schaltelemente 7, 8 sind vorliegend von einer Steuerein- richtung 10 gesteuert, die eine Komponente der Energieübertragungsschaltung 1 sein kann, jedenfalls eine Komponente des Fahrzeugs 2 ist. The switching elements 7 and 8 connect the respective high-voltage connections HV+_Bat and HV-_Bat of the battery 3 to the energy transmission circuit 1. The switching device 6 or the switching elements 7, 8 are presently controlled by a control device 10, which is a component of the Can be energy transmission circuit 1, at least a component of the vehicle 2 is.
Weiter ist Fig. 1 ein zweiter Hochvoltanschluss 11 zu entnehmen, an den in der dargestellten Betriebssituation eine Hochvolteinrichtung 12, vorliegend (jedoch ohne zwingende Beschränkung hierauf) eine Hochvoltladestation, elektrisch ange- schlossen ist. Die Hochvolteinrichtung 12 weist zwei Hochvoltanschlüsse1 also shows a second high-voltage connection 11 to which, in the operating situation shown, a high-voltage device 12, in the present case (but not necessarily limited to this) a high-voltage charging station, is electrically connected. The high-voltage device 12 has two high-voltage connections
HV+_CS_IN und HV-_CS_IN auf, die mit der Energieübertragungsschaltung 1 elektrisch verbunden dargestellt sind. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Anschluss- bzw. Ladekabel 13 verwendet werden. Die in Fig, 1 dargestellte Energieübertragungsschaltung 1 ist zwischen einer inak- tiven Betriebsart und einer aktiven Betriebsart schaltbar. In der aktiven Betriebsart ist die Energieübertragung zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 aktiv. In der inaktiven Betriebsart ist die Energie- übertragung zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hoch- voltanschluss 11 unterbrochen (inaktiv). Die Betriebsarten können von der Steu- ereinrichtung 10 gesteuert werden, beispielsweise durch Schäften der Schaltele- mente 7 und 8, sowie weiterer, in Fig. 1 gezeigter Schaltelemente 15, 16 und/oder 17, die ebenfalls z. B. als Relais, Transistor u. dgl. ausgebildet sein können. HV+_CS_IN and HV-_CS_IN shown electrically connected to the power transmission circuit 1 . A connection or charging cable 13 can be used for this purpose, for example. The energy transmission circuit 1 shown in FIG. 1 can be switched between an inactive operating mode and an active operating mode. In the active operating mode, the energy transfer between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 is active. In the inactive operating mode, the energy transmission between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 is interrupted (inactive). The operating modes can be controlled by the control device 10, for example by switching the switching elements 7 and 8, as well as other switching elements 15, 16 and/or 17 shown in FIG. B. as a relay, transistor and the like. Can be formed.
Des Weiteren weist die in Fig. 1 dargestellte Energieübertragungsschaltung 1 eine Vorladeschaltung 20 auf. Diese weist vorliegend einen Abwärtswandler 22 auf. Furthermore, the energy transmission circuit 1 shown in FIG. 1 has a pre-charging circuit 20 . In the present case, this has a step-down converter 22 .
Die Vorladeschaltung 20 ist ausgebildet und eingerichtet, zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksame Kapazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau von der Steuereinrichtung 10 während der inaktiven Be- triebsart gesteuert vorzuladen, bevor die Steuereinrichtung 10 die elektrische Energieübertragung zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 in die aktive Betriebsart schaltet. Die zum Vorladen benö- tigte elektrische Energie wird der am Hochvoltanschluss 9 anliegenden Hochspan- nung HV+_Bat, HV-_Bat der HV-Batterie 3 entnommen. The pre-charging circuit 20 is designed and set up to pre-charge electrically active capacitances between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 for the transmission of electrical energy to a predetermined target voltage level under the control of the control device 10 during the inactive operating mode, before the control device 10 starts the electrical Energy transfer between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 switches to the active mode. The electrical energy required for precharging is taken from the high voltage HV+_Bat, HV-_Bat of the HV battery 3 present at the high-voltage connection 9 .
Weiter ist Fig. 1 zu entnehmen, dass die Vorladeschaltung 20 vorliegend einen so genannten Snubber 23 aufweist, um (unerwünschte) elektrische Schwingungsvor- gänge beim Vorladen der Kapazitäten wirksam zu dämpfen. Hierdurch lassen sich störende Hochfrequenzen oder Spannungsspitzen neutralisieren, die meist beim Schalten induktiver Lasten auftreten, wenn der Stromfluss abrupt unterbrochen wird. Zusätzlich lässt sich durch den Einsatz des Snubbers die elektromagnetische Verträglichkeit der Energieübertragungsschaltung 1 insgesamt verbessern. It can also be seen from FIG. 1 that the precharging circuit 20 in the present case has a so-called snubber 23 in order to effectively dampen (undesirable) electrical oscillation processes during the precharging of the capacitances. This allows interfering high frequencies or voltage peaks to be neutralized, which usually occur when switching inductive loads when the current flow is abruptly interrupted. In addition, the electromagnetic compatibility of the energy transmission circuit 1 can be improved overall by using the snubber.
Der Snubber kann beispielsweise aus einer Reihenschaltung einer Kapazität und einem ohmschen Widerstand gebildet werden, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Es versteht sich, dass eine konkrete Snubber-Schaltung aus einer Verschaltung mehrerer Kondensatoren und mehrerer ohmscher Widerstände (nicht dargestellt), die ein Widerstandsnetzwerk (d. h. Reihen- und Parallelschaltung) bilden können, gebildet sein kann. Dies ermöglicht zusätzlich eine effiziente passive oder aktive Kühlung des Snubbers 23. The snubber can be formed, for example, from a series connection of a capacitance and an ohmic resistance, as shown schematically in FIG. It goes without saying that a specific snubber circuit consists of an interconnection of a plurality of capacitors and a plurality of ohmic resistors (not shown), which can form a resistance network (ie series and parallel circuit), can be formed. This also enables efficient passive or active cooling of the snubber 23.
Die für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten können Kapazi- täten sein, die beispielsweise von den Anschlussleitungen 13 (z. B. Hochvoltkabel) der Hochvolteinrichtung 12 zur Energieübertragungsschaltung 1 gebildet sind. Ebenso können zwischen der Hochvoltbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 wirksame elektronische Bauteile (z. B. Kondensatoren, Spulen usw.) zu dieser wirksamen Kapazität beitragen. Diese elektronischen Bauteile können selbst Be- standteil der Energieübertragungsschaltung 1 sein und/oder in einer separaten Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die für die Energieüber- tragung eine funktionelle Rolle spielt. The capacitances that are electrically effective for the energy transmission can be capacitances that are formed, for example, from the connection lines 13 (eg high-voltage cable) of the high-voltage device 12 to the energy transmission circuit 1 . Electronic components (eg, capacitors, coils, etc.) that are effective between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 can also contribute to this effective capacity. These electronic components can themselves be part of the energy transmission circuit 1 and/or be provided in a separate circuit arrangement (not shown), which plays a functional role in the energy transmission.
Weiterhin ist Fig. 1 ein unidirektionaier Aufwärtswandler 25 zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 zu entnehmen, um eine von der Hochvolteinrichtung 12 bereitgesteifte Hoch- spannung gegebenenfalls auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie 3 zu wandeln. Der Aufwärtswandler 25 ist ein Gleichspannungswandlers, bei dem der Betrag der Ausgangsspannung stets größer ist als der Betrag der Eingangs- spannung. Die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers ist in Fig. 1 mit Boost bezeichnet. Der Aufwärtswandler kann zur Spannungstransformation eingesetzt werden, wenn die von der Hochvolteinrichtung 12 bereitgestellte Nennspannung HV+_CS_IN, HV~_CS_IN (z. B. 400 V) kleiner ist als die Nennspannung HV+_Bat, HV-_Bat der Hochvoltbatterie 3 (z. B. 800 V). Furthermore, FIG. 1 shows a unidirectional step-up converter 25 for transferring the electrical energy between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 in order to convert a high voltage provided by the high-voltage device 12 to a higher voltage level for the high-voltage battery 3 if necessary. The step-up converter 25 is a DC-DC converter in which the magnitude of the output voltage is always greater than the magnitude of the input voltage. The input voltage of the step-up converter is labeled Boost in FIG. The step-up converter can be used for voltage transformation if the nominal voltage HV+_CS_IN, HV~_CS_IN (e.g. 400 V) provided by the high-voltage device 12 is lower than the nominal voltage HV+_Bat, HV-_Bat of the high-voltage battery 3 (e.g .800V).
Falls die Spannungslagen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 9 im Wesentlichen gleich sind, kann der Aufwärtswandler 25 durch Schließen des Schaltelements 17 (Bypass) umgangen werden, so dass das batterieseitige Hoch- voltpotential HV-_Bat direkt mit dem einrichtungsseitigen Hochvoltpotential HV- _CS_IN elektrisch verbunden ist. Andernfalls ist das Schaltelement 17 offen ge- schaltet, so dass der Aufwärtswandler 25 die (vorliegend unidirektionale) Span- nungsanpassung entsprechend vornehmen kann. Es ist zu verstehen, dass der in Fig. 1 dargestellte Aufwärtswandler 25 in diesem Fall über entsprechende Verbin- dungsleitungen (nicht dargestellt) mit der Hochvoltbatterie 3 verbunden ist, um die Energieübertragung zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbat- terie 9 zu ermöglichen. Außerdem ist die Erfindung nicht zwingend auf einen unidirektionalen Spannungswandler 25 beschränkt. Ein nicht dargestellter bidirek- tionaler Spannungswandler kann grundsätzlich anstelle des Aufwärtswandlers 25 auch vorgesehen sein. If the voltage levels of the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 9 are essentially the same, the step-up converter 25 can be bypassed by closing the switching element 17 (bypass), so that the battery-side high-voltage potential HV_Bat is electrically connected directly to the device-side high-voltage potential HV_CS_IN is. Otherwise, the switching element 17 is switched open, so that the step-up converter 25 can carry out the (in the present case unidirectional) voltage adjustment accordingly. It is to be understood that in this case the step-up converter 25 shown in FIG. In addition, the invention is not necessarily limited to one unidirectional voltage converter 25 limited. In principle, a bidirectional voltage converter (not shown) can also be provided instead of the step-up converter 25 .
Zum Vorladen der für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 (einschließlich der Verbindungskabel 13) wandelt der Abwärtswandler 22 die am Hochvoltanschluss 9 anliegenden Hochspannung HV+_Bat, HV-_Bat auf das vor- bestimmte Zielspannungsniveau, das vorliegend dem von der HV-Einrichtung 12 bereitgestellten Hochspannungsniveau HV+_CS_IN, HV-_CS_IN (z. B. Nennspan- nungsniveau der Hochvolteinrichtung 12 von 400 V) entspricht. Die Vorladeschal- tung 20 lädt die Kapazitäten auf dieses Zielspannungsniveau vor. In order to precharge the electrically effective capacities for energy transmission between the first high-voltage connection 9 and the second high-voltage connection 11 (including the connecting cable 13), the step-down converter 22 converts the high voltage HV+_Bat, HV-_Bat present at the high-voltage connection 9 to the predetermined target voltage level, the in the present case corresponds to the high voltage level HV+_CS_IN, HV−_CS_IN provided by the HV device 12 (eg nominal voltage level of the high-voltage device 12 of 400 V). The pre-charging circuit 20 pre-charges the capacitances to this target voltage level.
Der Abwärtswandler 22 kann von der Steuereinrichtung 10 zur Einstellung einer bestimmten Ausgangsspannung/-strom gesteuert werden. Zu diesem Zweck weist der Abwärtswandler 22 einen Steueranschluss 24 auf. Die Steuerung kann bei- spielsweise über eine Pulsweitenmodulation (d. h. PWM-Steuerung) erfolgen. Mit- tels der Steuerung kann ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen etwa 100 mA und etwa 1 A, bevorzugt zwischen etwa 250 mA und 1 A, noch bevorzugter zwischen etwa 500 mA und 1 A, gezielt begrenzt werden. The step-down converter 22 can be controlled by the controller 10 to set a specific output voltage/current. The step-down converter 22 has a control connection 24 for this purpose. The control can take place, for example, via a pulse width modulation (i.e. PWM control). A current for precharging the capacitances can be specifically limited to a range between approximately 100 mA and approximately 1 A, preferably between approximately 250 mA and 1 A, even more preferably between approximately 500 mA and 1 A, by means of the controller.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Energieübertragungsschal- tung 1 bzw. des Elektrofahrzeugs 2 können die für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten in Kombination mit den folgenden von der Steu- ereinrichtung 10 gesteuerten Schaltzuständen der Schaltelemente 7, 8, 15, 16, 17 vorgeladen werden. Nach dem Anschließen der HV-Einrichtung 12 an den Hoch- voltanschluss 11 können die (optionalen) Schalter 7 und 8, sofern vorgesehen, geschlossen werden. Anschließend kann der Schalter 15 geschlossen werden, das heißt das einrichtungsseitige Potential HV+_CS_IN wird mit dem batterieseitigen Potential HV+_Bat verbunden. Liegt die einrichtungsseitige Nennspannung (z. B. 400 V) unterhalb der batterieseitigen Nennspannung (z. B. 800 V), wird der Ab- wärtswandler 22 aktiviert, um die wirksamen Kapazitäten zwischen der HV- Einrichtung 12 und der HV- Batterie 3 auf das Zielspannungsniveau (in diesem Fall die halbe Batteriespannung HVm) vorzuladen. Anschließend schaltet die Steuer- einrichtung 10 in die aktive Betriebsart um, indem der Schalter 16 geschlossen wird und letztendlich die Energieübertragung zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 3 über den Aufwärtswandler 25 bewirkt wird. In the embodiment of the energy transmission circuit 1 or of the electric vehicle 2 shown in Fig. 1, the electrically effective capacitances for the energy transmission can be used in combination with the following switching states of the switching elements 7, 8, 15, 16, 17, controlled by the control device 10 be subpoenaed. After the HV device 12 has been connected to the high-voltage connection 11, the (optional) switches 7 and 8, if provided, can be closed. The switch 15 can then be closed, ie the device-side potential HV+_CS_IN is connected to the battery-side potential HV+_Bat. If the facility-side nominal voltage (z. B. 400 V) below the battery-side nominal voltage (z. B. 800 V), the step-down converter 22 is activated to the effective capacities between the HV device 12 and the HV battery 3 on to precharge the target voltage level (in this case half the battery voltage HVm). The control device 10 then switches over to the active operating mode by the switch 16 being closed is and ultimately the energy transfer between the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 3 via the step-up converter 25 is effected.
Ist hingegen die einrichtungsseitige Nennspannung (z, B, 400 V oder 800 V) gleich der batterieseitigen Nennspannung (z. B. ebenfalls 400 V bzw. 800 V), kann opti- onal dennoch der steuerbare Abwärtswandler 22 aktiviert werden, um die Kapazi- täten auf das Zieispannungsniveau (in diesem Fall die volle Batteriespannung HV+_Bat, HV-_Bat) vorzuladen. Die Verwendung des steuerbaren Abwärtswand- lers 22 zum Vorladen bei im Wesentlichen gleichen Spannungslagen zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 3 ermöglicht zusätzlich, hohe Strom-/Spannungsgradienten zuverlässig zu vermeiden und damit den Bauteil- stress zu reduzieren. Nachdem der Vorladevorgang abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinrichtung 10 in die aktive Betriebsart um, indem nun anstelle des Schalter 16 der Schalter 17 (Bypass) geschlossen wird und infolgedessen die Energieüber- tragung zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 3 unter Umgehung des Aufwärtswandlers 25 bewirkt wird. If, on the other hand, the nominal voltage on the device side (e.g. 400 V or 800 V) is equal to the nominal voltage on the battery side (e.g. also 400 V or 800 V), the controllable step-down converter 22 can optionally still be activated in order to would precharge to the target voltage level (in this case the full battery voltage HV+_Bat, HV-_Bat). The use of the controllable step-down converter 22 for pre-charging when the voltage levels between the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 3 are essentially the same also makes it possible to reliably avoid high current/voltage gradients and thus to reduce component stress. After the precharging process is completed, the control device 10 switches to the active operating mode in that the switch 17 (bypass) is now closed instead of the switch 16 and as a result the energy transmission between the high-voltage device 12 and the high-voltage battery 3 is effected, bypassing the step-up converter 25 becomes.
Fig. 2 stellt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 30 ge- mäß der Erfindung dar. 2 shows a flow chart of an embodiment of a method 30 according to the invention.
Bei dem Verfahren 30 zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahr- zeugseitigen Hochvoltbatterie, z. B. Batterie 3 aus Fig. 1, und einer fahrzeugex- ternen Hochvolteinrichtung, Einrichtung 12 aus Fig. 1, wird in Schritt 31 eine Ener- gieübertragungsschaltung, z. B. Schaltung 1 aus Fig. 1, bereitgestellt, die steuer- bar zwischen einer aktiven, energieübertragenden Betriebsart und einer inaktiven, die Energieübertragung unterbrechenden Betriebsart geschaltet werden kann. Hierzu kann beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Steuereinrichtung 10 verwendet werden. In the method 30 for transferring electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery, z. B. battery 3 from FIG. 1, and a vehicle-external high-voltage device, device 12 from FIG. 1, is provided, which can be controllably switched between an active, energy-transmitting mode and an inactive, energy-transmitting mode. For this purpose, for example, the control device 10 shown in FIG. 1 can be used.
Die fahrzeugseitige Hochvoltbatterie 3 kann zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs 2 sein, die an einer Ladestation 12 durch Übertragen der elektrischen Energie von der Ladestation 12 in die Traktionsbatterie 3 geladen wird, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Ein Einspeisen von elektri- scher Energie aus der Hochvoltbatterie 3 in die Hochvolteinrichtung 12 (z. B. ein Hochspannungsnetz) ist ebenfalls denkbar. In Schritt 32 wird die Energieübertragungsschaltung 1 in ihrer inaktiv geschalteten Betriebsart an die Hochvoltbatterie 3 und die Hochvolteinrichtung 12 elektrisch angeschlossen. The vehicle-side high-voltage battery 3 can be a traction battery of an electric vehicle 2, for example, which is charged at a charging station 12 by transferring the electrical energy from the charging station 12 to the traction battery 3, but without being necessarily limited to this. Feeding electrical energy from the high-voltage battery 3 into the high-voltage device 12 (eg a high-voltage network) is also conceivable. In step 32, the energy transmission circuit 1 is electrically connected to the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 in its inactive operating mode.
In Schritt 33 werden Kapazitäten, die zwischen der Hochvoltbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksamen sind, auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau mitels einer Vorla- deschaltung, z. B. Vorladeschaltung 20 aus Fig. 1, elektrisch vorgeladen. Eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie wird hierzu der fahrzeugseitigen Hochvolt- batterie 3 entnommen. Die zum elektrischen Vorladen bereitgestellte Hochspan- nung kann mittels eines Abwärtswandlers, z. B. Abwärtswandler 22 aus Fig. 1, auf das vorbestimmte Zielspannungsniveau gewandelt werden. In step 33, capacities that are electrically effective between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12 for the transmission of electrical energy are set to a predetermined target voltage level by means of a pre-charging circuit, e.g. B. pre-charging circuit 20 of FIG. 1, electrically pre-charged. For this purpose, the electrical energy required for precharging is taken from the high-voltage battery 3 in the vehicle. The high voltage provided for electrical pre-charging can be reduced by means of a step-down converter, e.g. 1, to the predetermined target voltage level.
In Schritt 34 wird nach dem Vorladen die Energieübertragungsschaltung 1 in ihre aktive Betriebsart geschaltet (z. B. durch die Schalteinrichtung 10), um die elekt- rische Energie zwischen der Hochvoitbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 wirksam zu übertragen. Hierzu wird ggfs, ein Aufwärtswandler, z. B. Aufwärts- wandler 25 aus Fig. 1, verwendet, um eine Spannungsanpassung der von der HV- Einrichtung 12 bereitgestellten Hochspannung (z. B, 400 V) an die Hochspannung (z. B. 800 V) der HV-Batterie 3 zu ermöglichen. Liegen beide Hochspannungen im Wesentlichen auf demselben Hochspannungsniveau, kann die Energieübertragung auch unter Umgehung des Aufwärtswandlers 25 durchgeführt werden. In step 34, after precharging, the energy transfer circuit 1 is switched to its active operating mode (eg by the switching device 10) in order to effectively transfer the electrical energy between the high-voltage battery 3 and the high-voltage device 12. For this purpose, if necessary, a step-up converter, z. B. step-up converter 25 from FIG. 1, used to adapt the voltage provided by the HV device 12 high voltage (z. B. 400 V) to the high voltage (z. B. 800 V) of the HV battery 3 to make possible. If both high voltages are essentially at the same high voltage level, the energy transmission can also be carried out while bypassing the step-up converter 25 .
Schritt 35 beendet das Verfahren 30. Step 35 terminates method 30.
Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugex- ternen Hochvolteinrichtung und die erfindungsgemäße Energieübertragungsschal- tung sowie das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen wei- teren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegen- stände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschrei- bung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein ge- zeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin ex- plizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinsteilung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, The method according to the invention disclosed herein for transferring electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery and a vehicle-external high-voltage device and the energy transmission circuit according to the invention as well as the electric vehicle according to the invention are not limited to the concrete embodiments described in each case, but also include other embodiments that have the same effect result from technically meaningful further combinations of the features of all the objects of the invention described herein. In particular, the features and feature combinations mentioned above in the general description and the description of the figures and/or shown alone in the figures are not only in the combinations explicitly stated herein, but also in other combinations or can be used alone without departing from the scope of the present invention,
In besonders bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Energieübertra- gungsschaltung in einem Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (z. B. Trakti- onsbatterie mit 400 V, 800 V u, dgi.) verwendet, wobei die Hochvoltbatterie be- vorzugt der elektrischen Versorgung eines Elektroantriebs des Fahrzeugs dient, mit dem Zweck, elektrische Energie zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatte- rie und einer elektrisch mit der Energieübertragungseinrichtung verbundenen fahr- zeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B. Hochvoltladestation) zu übertragen, d. h. die Hochvoltbatterie an der Ladestation zu laden oder Energie aus der Hochvolt- batterie in die fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung (z. B, Hochspannungsnetz) einzuspeisen. In a particularly preferred embodiment, the energy transmission circuit according to the invention is used in an electric vehicle with a high-voltage battery (e.g. traction battery with 400 V, 800 V u, etc.), with the high-voltage battery preferably being used for the electrical supply of an electric drive of the vehicle serves the purpose of transferring electrical energy between the vehicle's high-voltage battery and a vehicle-external high-voltage device (e.g. high-voltage charging station) that is electrically connected to the energy transmission device, ie to charge the high-voltage battery at the charging station or to charge energy from the high-voltage battery to be fed into the vehicle-external high-voltage device (e.g., high-voltage network).
Bezugszeichenliste Reference List
1 Energieübertragungsschaltung 1 energy transfer circuit
2 Fahrzeug 2 vehicle
3 Fahrzeugseitige Hochvoltbatterie 3 Vehicle high-voltage battery
6 Schalteinrichtung 6 switching device
7 Erstes batterieseitiges Schaltelement 7 First battery-side switching element
8 Zweites batterieseitiges Schaltelement 8 Second battery-side switching element
9 Erster Hochvoltanschluss 9 First high-voltage connection
10 Steuereinrichtung 10 controller
11 Zweiter Hochvoltanschluss 11 Second high-voltage connection
12 Fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung 12 Vehicle-external high-voltage device
13 Anschlusskabel 13 connection cable
15 Erstes einrichtungsseitige Schaitelement 15 First device-side switching element
16 Zweites einrichtungsseitige Schaltelement 16 Second device-side switching element
17 Drittes Schaltelement 17 Third switching element
20 Vorladeschaltung 20 precharge circuit
22 Abwärtswandler 22 buck converters
23 Snubber 23 snubbers
24 Steueranschluss 24 control port
25 Aufwärtswandler 25 boost converter
30 Verfahren 30 procedures
31-35 Verfahrensschritte 31-35 procedural steps
Boost Eingangsspannung für AufwärtswandlerBoost input voltage for step-up converters
GND Bezugspotential, Masse GND Reference potential, ground
HV+ Positives Hochvoltpotential HV+ Positive high-voltage potential
HV+„Bat Positives batterieseitiges Hoch voltpotentialHV+ „ Bat Positive battery-side high-voltage potential
HV+_CS_IN Positives einrichtungsseitiges HochvoltpotentialHV+_CS_IN Positive device-side high-voltage potential
HV- Negatives Hochvoltpotential HV- Negative high-voltage potential
HV-_Bat Negatives batterieseitiges HochvoltpotentialHV-_Bat Negative battery-side high-voltage potential
HV-„GS_IN Negatives einrichtungsseitiges HochvoltpotentialHV- „ GS_IN Negative high-voltage potential on the device side
HVm Hochvolt-Mitte-Potential HVm high-voltage middle potential

Claims

Patentansprüche , Verfahren (30) zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeug- seitigen Hochvoltbatterie (3) und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (12), aufweisend die Schritte: Claims, method (30) for transferring electrical energy between a vehicle-side high-voltage battery (3) and a vehicle-external high-voltage device (12), comprising the steps:
- Bereitstellen einer Energieübertragungsschaltung (1), die steuerbar zwi- schen einer aktiven, energieübertragenden Betriebsart und einer inakti- ven, die Energieübertragung unterbrechenden Betriebsart geschaltet wer- den kann, - providing an energy transmission circuit (1) which can be switched controllably between an active, energy-transmitting operating mode and an inactive, energy transmission-interrupting operating mode,
- elektrisches Anschließen der Energieübertragungsschaltung (1) in ihrer in- aktiv geschalteten Betriebsart an die Hochvoltbatterie (3) und die Hoch- volteinrichtung (12), - Electrical connection of the energy transmission circuit (1) in its switched inactive operating mode to the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12),
- elektrisches Vorladen von zwischen der Hochvoltbatterie (3) und der Hochvolteinrichtung (12) für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksamen Kapazitäten (13) auf ein vorbestimmtes Zielspan- nungsniveau mittels einer Vorladeschaltung (20), wobei eine zum Vorla- den benötigte elektrische Energie der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (3) entnommen wird, und - Electrically pre-charging between the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12) for the transmission of electrical energy electrically active capacities (13) to a predetermined target voltage level by means of a pre-charging circuit (20), with an electrical energy required for pre-charging is removed from the vehicle's high-voltage battery (3), and
- Schalten der Energieübertragungsschaltung (1) in ihre aktive Betriebsart nach dem Vorladen, um die elektrische Energie zwischen der Hochvoltbat- terie (3) und der Hochvolteinrichtung (12) zu übertragen, , Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schalten der Energieübertragungsschaltung (1) in ihre aktive Be- triebsart zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbat- terie (3) und der Hochvolteinrichtung (12) eine von der Hochvolteinrichtung (12) bereitgestellte Hochspannung auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie (3) mittels eines unidirektionalen Aufwärtswandlers (25) ge- wandelt wird. , Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannung zwischen der Hochvolteinrichtung (12) und der Hochvolt- batterie (3) galvanisch getrennt gewandelt wird. - Switching the energy transmission circuit (1) to its active operating mode after precharging in order to transfer the electrical energy between the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12), , The method according to claim 1, characterized in that after switching the Energy transfer circuit (1) in its active operating mode for transferring the electrical energy between the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12), a high voltage provided by the high-voltage device (12) to a higher voltage level for the high-voltage battery (3) by means of a unidirectional step-up converter (25) is converted. , Method according to the preceding claim, characterized in that the high voltage between the high-voltage device (12) and the high-voltage battery (3) is converted electrically isolated.
• 4, Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorladen der Kapazitäten auf das Zielspannungsniveau mittels eines Ab- wärtswandlers (22) durchgeführt wird, der aus der Hochvoltbatterie (3) ge- speist wird, • 4, method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pre-charging of the capacities to the target voltage level is carried out by means of a step-down converter (22) which is fed from the high-voltage battery (3),
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen 100 mA und 1 A, bevorzugt zwischen 250 mA und 1 A, noch bevorzugter zwischen 500 mA und 1 A, begrenzt wird. 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a current for precharging the capacitances is limited to a range between 100 mA and 1 A, preferably between 250 mA and 1 A, even more preferably between 500 mA and 1 A.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Schwingungsvorgänge beim Vorladen der Kapazitäten mittels ei- nes Snubbers (23) gedämpft werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that electrical oscillation processes are damped by means of a nes snubber (23) during the pre-charging of the capacities.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielspannungsniveau einem Nennspannungsniveau der Hochvoltbatterie (3) oder einem Nennspannungsniveau der Hochvolteinrichtung (12) ent- spricht. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the target voltage level corresponds to a nominal voltage level of the high-voltage battery (3) or a nominal voltage level of the high-voltage device (12).
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Traktionsbatterie als fahrzeugseitige Hochvoltbatterie (3) eines Elektro- fahrzeugs (2) an einer Ladestation als Hochvolteinrichtung (12) durch Über- tragen der elektrischen Energie von der Ladestation (12) in die Traktionsbat- terie (3) geladen wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a traction battery as an on-board high-voltage battery (3) of an electric vehicle (2) at a charging station as a high-voltage device (12) by transferring the electrical energy from the charging station (12) in the traction battery (3) is charged.
9. Energieübertragungsschaltung (1) zum Übertragen elektrischer Energie zwi- schen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (3) und einer fahrzeugexter- nen Hochvolteinrichtung (12), aufweisend - einen ersten elektrischen Hochvoltanschluss (9), der ausgebildet und ein- gerichtet ist, mit der Hochvoltbatterie (3) zur Übertragung einer ersten Hochspannung (HV+_Bat, HV-_Bat) elektrisch verbunden zu werden,9. Energy transfer circuit (1) for transferring electrical energy between a vehicle-mounted high-voltage battery (3) and a vehicle-external high-voltage device (12), having - A first electrical high-voltage connection (9), which is designed and set up to be electrically connected to the high-voltage battery (3) for transmitting a first high voltage (HV+_Bat, HV-_Bat),
- einen zweiten elektrischen Hochvoltanschluss (11), der ausgebildet und eingerichtet ist, mit der Hochvolteinrichtung (12) zur Übertragung einer zweiten Hochspannung (HV+_CS_Ii\l, HV-_CS_IN) elektrisch verbunden zu werden, - a second electrical high-voltage connection (11), which is designed and set up to be electrically connected to the high-voltage device (12) for transmitting a second high voltage (HV+_CS_Ii\l, HV-_CS_IN),
- eine Steuereinrichtung (10), die ausgebildet und eingerichtet ist, die Ener- gieübertragung in einer aktiven Betriebsart zwischen dem ersten Hoch- voltanschfuss (9) und dem zweiten Hochvoltanschluss (11) gesteuert zu bewirken und die Energieübertragung in einer inaktiven Betriebsart zwi- schen dem ersten Hochvoltanschluss (9) und dem zweiten Hochvoltan- schluss (11) gesteuert zu unterbrechen, und - A control device (10) which is designed and set up to cause the energy transmission in an active operating mode between the first high-voltage connection foot (9) and the second high-voltage connection (11) in a controlled manner and the energy transmission in an inactive operating mode between to interrupt the first high-voltage connection (9) and the second high-voltage connection (11), and
- eine Vorladeschaltung (20), die ausgebildet und eingerichtet ist, zwischen dem ersten Hochvoltanschluss (9) und dem zweiten Hochvoltanschluss (11) für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksame Ka- pazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau von der Steuerein- richtung (10) während der inaktiven Betriebsart gesteuert vorzuladen, be- vor die Steuereinrichtung (10) in die aktive Betriebsart schaltet, wobei eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie aus der am ersten Hochvoltanschluss (9) anliegenden Hochspannung (HV+_Bat, HV-_Bat) ge- speist ist. - A pre-charging circuit (20), which is designed and set up between the first high-voltage connection (9) and the second high-voltage connection (11) for the transmission of electrical energy to a predetermined target voltage level from the control device (10) electrically effective capacitances. to precharge in a controlled manner during the inactive operating mode before the control device (10) switches to the active operating mode, with electrical energy required for precharging being fed from the high voltage (HV+_Bat, HV-_Bat) present at the first high-voltage connection (9). is.
10. Energieübertragungsschaltung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein unidirektionaler Aufwärtswandler (25) zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbatterie (3) und der Hochvolteinrichtung (12) vorgesehen ist, um eine von der Hochvolteinrichtung (12) bereitgestellte Hochspannung auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie (3) zu wandeln, 10. Energy transfer circuit according to claim 9, characterized in that a unidirectional step-up converter (25) is provided for transferring the electrical energy between the high-voltage battery (3) and the high-voltage device (12) in order to increase a high voltage provided by the high-voltage device (12) to a higher to convert the voltage level for the high-voltage battery (3),
11. Energieübertragungsschaltung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwärtswandler (25) ein galvanisch getrennter Aufwärtswandler ist. 11. Energy transmission circuit according to the preceding claim, characterized in that the boost converter (25) is a galvanically isolated boost converter.
12, Energieübertragungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (20) einen Abwärtswandler (22) zum Vorladen der Ka- pazitäten auf das Zielspannungsniveau aufweist, der aus der Hochvoltbatterie (3) gespeist ist. 12, energy transmission circuit according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the pre-charging circuit (20) has a step-down converter (22) for pre-charging the capacities to the target voltage level, which is fed from the high-voltage battery (3).
13. Energieübertragungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (20) einen Snubber (23) zur elektrischen Schwingungs- dämpfung beim Vorladen der Kapazitäten aufweist. 13. Energy transmission circuit according to one of claims 9 to 12, characterized in that the pre-charging circuit (20) has a snubber (23) for electrical vibration damping when pre-charging the capacities.
14. Elektrofahrzeug (2), aufweisend eine Hochvoltbatterie (3) zur elektrischen Versorgung eines Elektroantriebs und eine Energieübertragungsschaltung (1) zum Übertragen elektrischer Energie zwischen der fahrzeugseitigen Hochvolt- batterie (3) und einer fahrzeug externen Hochvolteinrichtung (12), wobei die Energieübertragungsschaltung (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 aus- gebildet ist. 14. Electric vehicle (2), having a high-voltage battery (3) for the electrical supply of an electric drive and an energy transmission circuit (1) for transmitting electrical energy between the vehicle-side high-voltage battery (3) and a vehicle-external high-voltage device (12), wherein the energy transmission circuit ( 1) according to any one of claims 9 to 13 is formed.
15. Verwendung einer Energieübertragungsschaltung (1) gemäß einem der An- sprüche 9 bis 13 in einem Elektrofahrzeug (2) mit einer Hochvoltbatterie (3) zur elektrischen Versorgung eines Elektroantriebs, um elektrische Energie zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (3) und einer elektrisch mit der Energieübertragungseinrichtung (1) verbundenen fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (12) zu übertragen. 15. Use of an energy transmission circuit (1) according to one of claims 9 to 13 in an electric vehicle (2) with a high-voltage battery (3) for the electrical supply of an electric drive in order to transfer electrical energy between the vehicle-side high-voltage battery (3) and an electrically connected to the To transfer energy transmission device (1) connected to the vehicle-external high-voltage device (12).
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