EP4355607A1 - Electrical drive system for a vehicle - Google Patents
Electrical drive system for a vehicleInfo
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- EP4355607A1 EP4355607A1 EP22732562.8A EP22732562A EP4355607A1 EP 4355607 A1 EP4355607 A1 EP 4355607A1 EP 22732562 A EP22732562 A EP 22732562A EP 4355607 A1 EP4355607 A1 EP 4355607A1
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- electrical
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- B60L2270/20—Inrush current reduction, i.e. avoiding high currents when connecting the battery
Definitions
- the invention relates to an electric drive system for a vehicle and a vehicle with such a drive system.
- Electric drive systems for vehicles known from practice usually include an AC circuit and a DC circuit, which are connected by at least one ACDC inverter. At least one electrical energy store is usually connected to the DC circuit. Various ancillary units can also be connected. Inverters and auxiliaries often have input capacitances on the DC circuit side.
- B. commercial vehicles which are designed as battery electric vehicles (BEV), hybrid electric vehicles (HEV) or plug-in hybrid vehicles (PHEV), several Energyspei cher installed and parallel and / or serially connected to the DC circuit.
- BEV battery electric vehicles
- HEV hybrid electric vehicles
- PHEV plug-in hybrid vehicles
- a pre-charging circuit is often installed several times per vehicle. This leads to increased space requirements and costs.
- the object of the invention is in particular to provide a more cost-efficient and/or space-optimized pre-charging technology for electric drive systems.
- the invention relates to an electric drive system for a vehicle.
- the electric drive system includes a high-voltage DC voltage circuit, also referred to below as the HV-DC circuit for short, an AC voltage circuit, also referred to below as the AC circuit for short, and an AC/DC inverter for coupling the HV-DC circuit and AC circuit.
- the electrical drive system also includes a traction energy storage system for providing electrical power for the HV-DC circuit.
- the traction energy storage system includes several electrical energy storage, z. B. several batteries.
- the multiple electrical energy stores can be connected to one another in parallel or in series.
- each energy store comprises a plurality of cells and an energy store controller.
- the traction energy storage system includes a multi-battery architecture made up of several built-in energy storage devices that are connected in parallel and/or in series to the HV-DC circuit.
- the electric drive system can also include an electric machine that can be operated as a motor and as a generator and that serves as the electric drive motor of the vehicle.
- the AC/DC inverter can be designed in a manner known per se to control the electrical machine and, for this purpose, convert a DC voltage into AC voltage (or vice versa in the recuperative operating mode).
- a pre-charging device is provided for limiting switch-on currents when the traction energy storage system is switched on.
- the pre-charging device can be provided as a central pre-charging device, in particular as a central pre-charging circuit, which is designed to limit the connection currents when the traction energy storage system is switched on.
- a central pre-charging device is understood as meaning a pre-charging device which can limit the connection current of the entire traction storage system when it is switched on, so that a number of individual pre-charging circuits which are each assigned to one of the number of energy storage devices are not required.
- the central pre-charging device thus provides the pre-charging functionality for all energy stores of the traction energy storage system centrally at one point and/or through a circuit or assembly.
- the central pre-charging device has a first separating device, hereinafter referred to as the main contactor, a second separating device, hereinafter referred to as the pre-charging contactor, and a pre-charging resistor, with a load output of the traction energy storage system being able to be connected to the HV-DC circuit using the main contactor and the pre-charging contactor can be switched off from this.
- the pre-charging contactor and the pre-charging resistor are preferably arranged in a first path of the pre-charging device, which is parallel to a second path in which the main contactor is arranged.
- the second path can be bridged by means of the pre-charging device by opening the main charging contactor in the second path and closing the pre-charging contactor in the first path.
- the pre-charging resistor limits the current. The current that occurs when the traction energy storage system is switched on depends on the pre-charging resistor.
- a pre-charging circuit in the individual energy stores can thus be omitted. Accordingly, the space requirement and the costs for providing the pre-charging functionality can be advantageously reduced.
- the central pre-loading device is designed as a central pre-loading box, which preferably has its own housing.
- the pre-charge box is preferably arranged between the traction energy storage system and the rest of the DC circuit.
- the electric drive system can also have a DC voltage converter (DC/DC converter), preferably in the form of a bidirectional DC/DC converter, a low-voltage DC voltage circuit, referred to below for short as an LV-DC circuit, and an LV-DC circuit Circularly arranged voltage source, e.g. B. have a battery.
- the low-voltage circuit can have a nominal voltage of 12 volts or 24 volts, for example.
- the voltage source arranged in the LV DC circuit thus provides a correspondingly low voltage - in contrast to the traction energy storage system in the HV DC circuit, which can provide a higher voltage in comparison to this.
- the electric drive system in turn has the DC-DC converter described above, which couples the LV-DC circuit to the HV-DC circuit, and the voltage source arranged in the LV-DC circuit.
- the central pre-charging device is not formed by a central pre-charging circuit comprising a pre-charging contactor and pre-charging resistor, but instead the pre-charging functionality is provided centrally by the DC/DC converter.
- the DC/DC is designed and/or is controlled to provide the pre-charging functionality and/or to pre-charge the HV-DC circuit in order to transfer energy from the LV-DC circuit to the HV-DC circuit.
- the DC/DC converter can be controlled accordingly by a control device, e.g.
- a particular advantage of this embodiment is that an existing component, here the DC/DC converter, is used to provide the pre-charging functionality, so that additional components such as pre-charging contactors and pre-charging resistors can be dispensed with.
- the plurality of electrical energy stores of the traction energy store system can each have no pre-charging circuit.
- the traction energy storage system may not have a pre-charging circuit that is only assigned to one of the several electrical energy storage devices.
- the individual energy stores of the traction energy storage system each have no integrated pre-charging circuit and/or no pre-charging circuit is provided which is assigned to only one of the several electrical energy stores.
- each of the multiple energy storage devices of the traction energy storage system has a pre-charging circuit instead of a conventional pre-charging circuit comprising a main contactor, pre-charging contactor and pre-charging resistor and/or is assigned its own pre-charging circuit, which Limiting inrush currents when the energy store is switched on includes a pulse-width-modulated semiconductor assembly connected in parallel to the main contactor of the energy store.
- a pulse width modulated (PWM) semiconductor device is a semiconductor device that can be operated in PWM mode in order to limit the current during precharging. The pre-charging takes place here via the PWM circuit in the form of the semiconductor assembly.
- the semiconductor assembly can be power semiconductors, MOSFETs or similar. include, which can be controlled in PWM operation to set different currents.
- the semiconductor assembly can be variably switched between low-impedance and high-impedance, for example, in order to adjust, in particular to limit, the current from the respective energy store during precharging.
- each of the multiple energy storage devices can comprise one or more interconnected cell modules and an energy storage controller in signal communication with the at least one cell module
- the at least one cell module can each comprise a plurality of interconnected storage cells and a cell module controller in signal communication with the storage cells.
- each cell module controller can be designed to detect cell statuses of the memory cells that have a signal connection and to output a module status based on the detected cell statuses.
- each energy storage controller can be designed to determine a storage state on the basis of the at least one module state.
- the traction energy storage system may include a system controller in signal communication with the energy storage controls.
- the disclosure includes a vehicle, preferably a motor vehicle, including an electric drive system as described in this document.
- the vehicle can be a motor vehicle, e.g. B. be a passenger vehicle.
- the motor vehicle is preferably a commercial vehicle.
- the motor vehicle can, in other words, be a motor vehicle which, due to its design and equipment, is designed for transporting people, for transporting goods or for towing trailer vehicles.
- the motor vehicle can be a truck, a bus and/or an articulated lorry that is at least partially electrically driven.
- the vehicle can also be an aircraft (plane), a rail vehicle or a watercraft, e.g. B. a ship.
- FIG. 1 shows an electric drive system with a central pre-charging circuit according to an embodiment of the invention
- FIG. 2 shows an electrical drive system with a DC/DC converter for providing the pre-charging functionality according to a further embodiment of the invention
- FIG. 3 shows an electric drive system with pre-charging circuits integrated into the individual energy stores according to a further embodiment of the invention.
- FIG. 4 shows a commercial vehicle with an electric drive system according to one embodiment.
- FIG. 1 illustrates a first embodiment of the invention.
- An electric drive system 100 for an at least partially electrically powered vehicle such as a commercial vehicle, includes a direct current network (high-voltage direct current circuit, HV-DC circuit) 2, the electrical energy of a traction energy storage system 10 z. B. to the electric drive motor 8 of the vehicle.
- the drive motor is in an alternating voltage circuit (AC circuit) 3 is arranged.
- the direct-current network is referred to here as a high-voltage direct-current voltage circuit (HV-DC circuit) 2 since the voltage provided by the traction energy storage system 10 is a high-voltage voltage and can amount to several hundred volts.
- the electric drive motor 8 is not usually supplied with the direct voltage of the direct current network 2, but with alternating current. Therefore, an AC/DC converter (inverter) 4 is provided, which couples the HV-DC circuit 2 and the AC circuit 3 .
- the AC/DC inverter 4 has the task of converting the direct current of the direct current network into the respective current profile and vice versa, for example to recuperate kinetic energy of the motor vehicle. This means that there are coupled DC and AC networks.
- the inverter can be designed to energize the windings of the drive motor 8 as required and thereby set a speed and a torque in the drive motor, and thus a desired or required operating point.
- the AC/DC inverter 4 comprises a power unit having a circuit arrangement having power semiconductor elements.
- the traction energy storage system 10 forms a multi-battery architecture, i. That is, it is formed by a plurality of energy stores (e.g. batteries), which are connected in parallel and/or in series to the HV-DC circuit 2 .
- energy stores e.g. batteries
- FIG. 1 an embodiment variant is shown in which the energy stores 11a, 11b, . . . , 11n are connected in parallel.
- the plus lines 17a, 17b, ..., 17n of the individual energy stores 11a, 11b, ..., 11n are placed on a common plus line 17 of the traction energy storage system 10 .
- Each of the energy stores 11a, 11b, ..., 11n comprises a plurality of energy storage cells 12, an energy storage control 13 and main contactors 15, 16.
- the main contactors 15, 16 can be controlled by the energy storage control 13 in order to optionally connect the respective energy storage to the HV-DC switch circuit 2 on or off.
- the traction energy storage system 10 also includes a system control or central control device 5 which is signal-connected to the energy storage controls 13 and is designed to issue a control instruction to the energy storage controls 13 in order to control the operation of the individual energy storage devices 11a, 11b, ..., 11n coordinate.
- the central control device 5 can act as a master controller that controls the energy storage controls 13 as slaves.
- the signal connection between the central control device 5 and the energy storage controls 13 is illustrated by the dot-dash line 6 .
- Each of the energy storage devices 11a, 11b, ..., 11n can have its own energy storage device housing 14, in which the storage cells 12, the energy storage control device 13 and the main contactors 15, 16 are housed.
- a special feature of the traction energy storage system 10 is that the electrical energy stores 11a, 11b, . . . , 11n each have no integrated pre-charging circuit.
- the pre-charging functionality is provided centrally by a central pre-charging circuit 20 .
- the central pre-charging device 20 comprises a main contactor 21 in a first line section and a pre-charging contactor 22 and a pre-charging resistor 23 which are arranged in a second line section which is parallel to the first line section.
- a load output 17 (positive line) of the traction energy storage system 10 can be connected to the HV-DC circuit 2 and can be switched off from there.
- the central pre-charging device 20 is designed as a central pre-charging box 24 which has its own housing.
- the main contactor 21 and the pre-charging contactor 22 can be controlled by the control device 5 in order to change their switching position, and for this purpose they have a signal connection to the control device 5 (not shown).
- the pre-charging contactor 22 is open and the main contactor 21 is closed, so that the current flows via the upper line section.
- the main contactor 21 is opened and the pre-charging contactor 22 is closed in order to bridge the upper line section. The current thus flows via the lower line section and is limited by the pre-charging resistor 23 .
- a pre-charging functionality for the entire traction energy storage system 10 can be provided with less installation space and lower costs, e.g. B. to charge an intermediate circuit capacitance 7 when switching on the traction energy storage system 10 and generally to avoid short-circuit-type switch-on currents.
- the electric drive system 100 can include other components, for example various other electrical loads, e.g. B. Ancillaries and / or other inverters.
- the HV-DC network can be or can be coupled to a low-voltage DC network via a DC/DC converter.
- FIG. 2 shows an electrical drive system with a DC/DC converter for providing the pre-charging functionality according to a further embodiment of the invention.
- the electric drive system 200 again includes the traction energy storage system 10, the inverter 4, the intermediate circuit capacitor 7 and the drive motor 8, as has already been described in FIG.
- the electric propulsion system 200 further comprises a bidirectional DC/DC converter 40, a low-voltage direct current (LV-DC) circuit 50 and a battery 51 arranged in the LV-DC circuit 50, e.g. a lead-acid battery, and a load 52.
- the LV-DC circuit 50 is operated at a nominal voltage, e.g. B. 12 or 24 volts, which is less than the nominal voltage of the HV-DC circuit 2.
- the electrical energy stores 11a, 11b, . . . , 11n each have no integrated precharging circuit.
- the Vorladefunktio nality for limiting inrush currents when switching on the traction energy storage Systems 10 in turn provided centrally instead.
- the special feature of this embodiment 200 is that a DC/DC converter provides this functionality.
- the central pre-charging functionality is formed by the DC/DC converter 40 .
- the DC / DC converter 40 is when switching on the traction energy storage system 10 controls such. B. from the control device 5 that the DC / DC converter 40 in this phase for pre-charging the HV-DC circuit 2 energy from the battery 51 in the LV-DC circuit 50 in the HV-DC circuit 2 transmits.
- the traction energy storage system 10 z. B. separated from the HV-DC circuit 2 via the separator 19 .
- a pre-charging functionality for the entire traction energy storage system 10 can be provided with less installation space and lower costs, e.g. B., before switching on the traction energy storage system 10, first by means of the DC/DC converter via the battery 61, the intermediate circuit capacity 8 and other capacities in the HV-DC circuit 2 before charging.
- the electric drive system 200 can include other components, for example various other electrical consumers, e.g. B. Ancillaries and / or other inverters.
- FIG. 3 shows an electric drive system 300 with pre-charging circuits integrated into the individual energy stores according to a further embodiment of the invention.
- the electrical drive system 300 again includes a traction energy storage system 10' for providing electrical power for the HV-DC circuit 2 and the inverter 4, the intermediate circuit capacitor 7 and the drive motor 8, as has already been described in FIG.
- the traction energy storage system 10' in turn comprises a plurality of electrical energy storage devices 11a', 11b', 11n', with each energy storage device comprising a plurality of cells 12 and an energy storage controller 13.
- each of the several electrical energy stores 11a', 11b', 11n' has a pre-charging circuit 30 for limiting inrush currents when the energy store is switched on, with the pre-charging circuit 30 having a pulse width modulated circuit connected in parallel with the main contactor 15 of the respective energy store Semiconductor assembly 31 includes.
- the pre-charging circuit integrated in each of the energy stores does not therefore include a line branch arranged in parallel with the main contactor, in which a pre-charging contactor and a pre-charging resistor are arranged in series, but rather the pre-charging contactor and the pre-charging resistor are replaced by a semiconductor assembly 31, which is used for pre-charging in PWM operation is operated.
- the semiconductor assembly 31 can be power semiconductors, MOSFETs or the like. include, which can be controlled in PWM operation to set different currents.
- the semiconductor construction group 31 can, for example, be variably switched between low-impedance and high-impedance in order to set the current from the respective energy store during precharging, in particular to limit it. This results in a significant miniaturization of the pre-charging circuit. Accordingly, costs and weight can be saved.
- the semiconductor assembly 31 is controlled accordingly to limit the current in PWM operation, for example by the control device 5.
- the electric drive system 300 can include other components, for example various other electrical loads, e.g. B. Ancillaries and / or other inverters.
- Figure 4 illustrates schematically a commercial vehicle 1, which is equipped with an electric drive system 100, 200 or 300 as previously described.
- HV-DC circuit high-voltage direct current circuit
- 51 voltage source e.g. B. Battery
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Abstract
The invention relates to an electrical drive system for a vehicle, and to a vehicle with a drive system of this kind. The electrical drive system (100) comprises a high-voltage, direct-current circuit, HV-DC circuit (2); an alternating-current circuit, AC circuit (3); an AC/DC inverter (4) for coupling the HV-DC circuit (2) and the AC circuit (3); and a traction energy storage system (10) for providing electrical power for the HV-DC circuit (2). The traction energy storage system (10) comprises a plurality of electrical energy storage devices (11a, 11b, 11n), wherein each energy storage device (11a, 11b, 11n) comprises a plurality of cells (12) and an energy storage controller (13). In order to limit switch-on currents when switching on the traction energy storage system, a central precharging device (20) is provided or alternatively precharging circuits which are associated with the individual energy storage devices are provided, the central precharging device or precharging circuits comprising a pulse-width-modulated semiconductor assembly for limiting switch-on currents.
Description
Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug Beschreibung Electrical drive system for a vehicle Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Antriebssystem. The invention relates to an electric drive system for a vehicle and a vehicle with such a drive system.
Aus der Praxis bekannte elektrische Antriebssysteme für Fahrzeuge umfassen üblicherweise einen AC-Kreis und einen DC-Kreis, welche durch mindestens einen ACDC-Inverter verbun den sind. Am DC-Kreis ist in der Regel mindestens ein elektrischer Energiespeicher ange schlossen. Weiterhin können diverse Nebenaggregate angeschlossen werden. Inverter und Nebenaggregate haben oft Eingangskapazitäten auf Seiten des DC-Kreises. Electric drive systems for vehicles known from practice usually include an AC circuit and a DC circuit, which are connected by at least one ACDC inverter. At least one electrical energy store is usually connected to the DC circuit. Various ancillary units can also be connected. Inverters and auxiliaries often have input capacitances on the DC circuit side.
Beim Aufstarten des Fahrzeugs wird in der Regel ein Zuschalten des Energiespeichers ange fordert, z. B. über den CAN-Datenbus. Aufgrund der hohen Kapazität und Ruhespannung des Energiespeichers und der geringen Übergangswiderstände im DC-Kreis würden ohne Strom begrenzung kurzschlussartige Zuschaltströme entstehen. Um dies zu verhindern, wird in dem Energiespeicher, z. B. in der Batterie, üblicherweise eine Vorladeschaltung verbaut, welche den Zuschaltstrom über einen Vorladewiderstand begrenzt. When starting the vehicle, switching on the energy storage device is usually required, e.g. B. via the CAN data bus. Due to the high capacity and open-circuit voltage of the energy storage device and the low contact resistance in the DC circuit, short-circuit-type inrush currents would occur if the current were not limited. To prevent this, in the energy storage, z. B. in the battery, usually installed a pre-charging circuit, which limits the connection current via a pre-charging resistor.
Aktuell werden gerade in elektrisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Nutz fahrzeugen, z. B. Nutzfahrzeugen, die als Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), Hybrid-Elektro- fahrzeuge (HEV) oder Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) ausgeführt sind, mehrere Energiespei cher verbaut und parallel und/oder seriell am DC-Kreis angeschlossen. Oft ist dadurch mehr fach pro Fahrzeug eine Vorladeschaltung verbaut. Dies führt zu erhöhtem Bauraumbedarf und Kosten. Currently, just in electrically or at least partially electrically powered utility vehicles such. B. commercial vehicles, which are designed as battery electric vehicles (BEV), hybrid electric vehicles (HEV) or plug-in hybrid vehicles (PHEV), several Energiespei cher installed and parallel and / or serially connected to the DC circuit. As a result, a pre-charging circuit is often installed several times per vehicle. This leads to increased space requirements and costs.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorlade-Technik bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Vorlade-Techniken vermieden werden können. Die Aufgabe der Er findung ist es insbesondere, eine kosteneffizientere und/oder bauraumoptimierte Vorlade- Technik für elektrische Antriebssysteme bereitzustellen. It is an object of the invention to provide an improved pre-charging technique with which disadvantages of conventional pre-charging techniques can be avoided. The object of the invention is in particular to provide a more cost-efficient and/or space-optimized pre-charging technology for electric drive systems.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Wei terbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein elektrisches Antriebssys tem für ein Fahrzeug. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen Hochvolt-Gleichspan nungskreis, nachfolgend auch kurz als HV-DC-Kreis bezeichnet, einen Wechselspannungs kreis, nachfolgend auch kurz als AC-Kreis bezeichnet, und einen AC/DC-Wechselrichter zur Kopplung von HV-DC-Kreis und AC-Kreis. The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous further developments are specified in the dependent claims and the description. In a general aspect, the invention relates to an electric drive system for a vehicle. The electric drive system includes a high-voltage DC voltage circuit, also referred to below as the HV-DC circuit for short, an AC voltage circuit, also referred to below as the AC circuit for short, and an AC/DC inverter for coupling the HV-DC circuit and AC circuit.
Das elektrische Antriebssystem umfasst ferner ein Traktionsenergiespeichersystem zur Be reitstellung einer elektrischen Leistung für den HV-DC-Kreis. Das Traktionsenergiespeicher system umfasst mehrere elektrische Energiespeicher, z. B. mehrere Batterien. Die mehreren elektrischen Energiespeicher können parallel oder seriell miteinander verschaltet sein. Jeder Energiespeicher umfasst hierbei mehrere Zellen und eine Energiespeichersteuerung. Anders ausgedrückt umfasst das Traktionsenergiespeichersystem eine Multi-Batterie-Architektur aus mehreren verbauten Energiespeichern, die parallel und/oder seriell am HV-DC-Kreis ange schlossen sind. The electrical drive system also includes a traction energy storage system for providing electrical power for the HV-DC circuit. The traction energy storage system includes several electrical energy storage, z. B. several batteries. The multiple electrical energy stores can be connected to one another in parallel or in series. In this case, each energy store comprises a plurality of cells and an energy store controller. In other words, the traction energy storage system includes a multi-battery architecture made up of several built-in energy storage devices that are connected in parallel and/or in series to the HV-DC circuit.
Das elektrische Antriebssystem kann ferner eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine umfassen, die als elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs dient. Der AC/DC-Wechselrichter kann in an sich bekannterWeise zur Ansteuerung der elektrischen Ma schine ausgebildet sein und hierzu eine Gleichspannung in Wechselspannung umwandeln (oder umgekehrt im rekuperativen Betriebsmodus). The electric drive system can also include an electric machine that can be operated as a motor and as a generator and that serves as the electric drive motor of the vehicle. The AC/DC inverter can be designed in a manner known per se to control the electrical machine and, for this purpose, convert a DC voltage into AC voltage (or vice versa in the recuperative operating mode).
Ferner ist eine Vorladeeinrichtung zum Begrenzen von Zuschaltströmen beim Zuschalten des T raktionsenergiespeichersystems vorgesehen. Furthermore, a pre-charging device is provided for limiting switch-on currents when the traction energy storage system is switched on.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Vorladeeinrichtung als zentrale Vorladeeinrichtung, insbesondere als zentrale Vorladeschaltung, vorgesehen sein, die ausge bildet ist, beim Zuschalten des Traktionsenergiespeichersystems die Zuschaltströme zu be grenzen. Unter einer zentralen Vorladeeinrichtung wird eine Vorladeeinrichtung verstanden, die den Zuschaltstrom des gesamten Traktionsspeichersystems beim Zuschalten begrenzen kann, so dass mehrere einzelne Vorladeschaltungen, die jeweils einem der mehreren Ener giespeicher zugeordnet sind, nicht vonnöten sind. Die zentrale Vorladeeinrichtung stellt somit die Vorladefunktionalität für alle Energiespeicher des Traktionsenergiespeichersystems zent ral an einer Stelle und/oder durch eine Schaltung oder Baugruppe bereit.
In einer Ausführungsform weist die zentrale Vorladeeinrichtung eine erste Trennvorrichtung, nachfolgend als Hauptschütz bezeichnet, eine zweite Trenneinrichtung, nachfolgend als Vor ladeschütz bezeichnet, und einen Vorladewiderstand auf, wobei mittels des Hauptschützes und des Vorladeschützes ein Lastausgang des Traktionsenergiespeichersystems zum HV- DC-Kreis zuschaltbar und von diesem abschaltbar ist. Hierbei sind der Vorladeschütz und der Vorladewiderstand vorzugsweise in einem ersten Pfad der Vorladeeinrichtung angeordnet, der parallel zu einem zweiten Pfad ist, in dem der Hauptschütz angeordnet ist. Mittels der Vorla deeinrichtung kann der zweite Pfad bei Bedarf überbrückt werden, indem der Hauptladeschütz im zweiten Pfad geöffnet und der Vorladeschütz im ersten Pfad geschlossen wird. Der Vorla dewiderstand begrenzt dabei den Strom. Der sich beim Zuschalten des Traktionsenergiespei chersystems einstellende Strom ist abhängig vom Vorladewiderstand. According to a first aspect of the invention, the pre-charging device can be provided as a central pre-charging device, in particular as a central pre-charging circuit, which is designed to limit the connection currents when the traction energy storage system is switched on. A central pre-charging device is understood as meaning a pre-charging device which can limit the connection current of the entire traction storage system when it is switched on, so that a number of individual pre-charging circuits which are each assigned to one of the number of energy storage devices are not required. The central pre-charging device thus provides the pre-charging functionality for all energy stores of the traction energy storage system centrally at one point and/or through a circuit or assembly. In one embodiment, the central pre-charging device has a first separating device, hereinafter referred to as the main contactor, a second separating device, hereinafter referred to as the pre-charging contactor, and a pre-charging resistor, with a load output of the traction energy storage system being able to be connected to the HV-DC circuit using the main contactor and the pre-charging contactor can be switched off from this. Here, the pre-charging contactor and the pre-charging resistor are preferably arranged in a first path of the pre-charging device, which is parallel to a second path in which the main contactor is arranged. If required, the second path can be bridged by means of the pre-charging device by opening the main charging contactor in the second path and closing the pre-charging contactor in the first path. The pre-charging resistor limits the current. The current that occurs when the traction energy storage system is switched on depends on the pre-charging resistor.
Eine Vorladeschaltung in den einzelnen Energiespeichern kann somit entfallen. Entsprechend können der Bauraumbedarf und die Kosten zur Bereitstellung der Vorladefunktionalität vorteil haft reduziert werden. A pre-charging circuit in the individual energy stores can thus be omitted. Accordingly, the space requirement and the costs for providing the pre-charging functionality can be advantageously reduced.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante dieser Ausführungsform ist die zentrale Vorladeein richtung als eine zentrale Vorlade-Box ausgeführt, die vorzugsweise ein eigenes Gehäuse aufweist. Die Vorlade-Box ist bevorzugt zwischen dem Traktionsenergiespeichersystem und dem restlichen DC-Kreis angeordnet. In an advantageous variant of this embodiment, the central pre-loading device is designed as a central pre-loading box, which preferably has its own housing. The pre-charge box is preferably arranged between the traction energy storage system and the rest of the DC circuit.
Das elektrische Antriebssystem kann ferner einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wand- ler), vorzugsweise in Form eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers, einen Niederspannungs- Gleichspannungskreis, nachfolgend kurz als LV-DC-Kreis bezeichnet, sowie eine im LV-DC- Kreis angeordnete Spannungsquelle, z. B. eine Batterie, aufweisen. Der Niederspannungs kreis kann beispielsweise eine Nennspannung von 12 Volt oder 24 Volt aufweisen. Die im LV- DC-Kreis angeordnete Spannungsquelle stellt somit entsprechend eine Niederspannung be reit - im Gegensatz zum Traktionsenergiespeichersystem im HV-DC-Kreis, das eine im Ver gleich hierzu höhere Spannung bereitstellen kann. The electric drive system can also have a DC voltage converter (DC/DC converter), preferably in the form of a bidirectional DC/DC converter, a low-voltage DC voltage circuit, referred to below for short as an LV-DC circuit, and an LV-DC circuit Circularly arranged voltage source, e.g. B. have a battery. The low-voltage circuit can have a nominal voltage of 12 volts or 24 volts, for example. The voltage source arranged in the LV DC circuit thus provides a correspondingly low voltage - in contrast to the traction energy storage system in the HV DC circuit, which can provide a higher voltage in comparison to this.
In einer alternativen Ausführungsform weist das elektrische Antriebssystem wiederum den vor stehend beschriebenen Gleichspannungswandler auf, der den LV-DC-Kreis mit dem HV-DC- Kreis koppelt, sowie die im LV-DC-Kreis angeordnete Spannungsquelle. Gemäß dieser alter nativen Ausführungsform ist die zentrale Vorladeeinrichtung nicht durch eine zentrale Vorla deschaltung, umfassend einen Vorladeschütz und Vorladewiderstand, ausgebildet, sondern stattdessen wird die Vorladefunktionalität zentral vom DC/DC-Wandler bereitgestellt.
Der DC/DC ist hierzu ausgebildet und/oder wird zur Bereitstellung der Vorladefunktionalität und/oder zum Vorladen des HV-DC-Kreises angesteuert, Energie aus dem LV-DC-Kreis in den HV-DC-Kreis zu übertragen. Der DC/DC-Wandler kann hierzu von einer Steuervorrichtung entsprechend angesteuert werden, z. B. von einer Steuervorrichtung, die auch das Traktions energiespeichersystem ansteuert. Das Traktionsenergiespeichersystem ist während des Vor ladens vorzugsweise vom HV-DC-Kreis getrennt. Diese alternative Ausführungsform ermög licht somit ebenfalls, dass eine Vorladeschaltung in den einzelnen Energiespeichern entfallen kann und dass entsprechend der Bauraumbedarf und die Kosten zur Bereitstellung der Vorla defunktionalität vorteilhaft reduziert werden. Ein besonderer Vorzug dieser Ausführungsform liegt ferner darin, dass eine bereits vorhandene Komponente, hier der DC/DC-Wandler, ge nutzt wird, um die Vorladefunktionalität bereitzustellen, so dass auf zusätzliche Komponenten, wie Vorladeschütze und Vorladewiderstände, verzichtet werden kann. In an alternative embodiment, the electric drive system in turn has the DC-DC converter described above, which couples the LV-DC circuit to the HV-DC circuit, and the voltage source arranged in the LV-DC circuit. According to this alternative embodiment, the central pre-charging device is not formed by a central pre-charging circuit comprising a pre-charging contactor and pre-charging resistor, but instead the pre-charging functionality is provided centrally by the DC/DC converter. For this purpose, the DC/DC is designed and/or is controlled to provide the pre-charging functionality and/or to pre-charge the HV-DC circuit in order to transfer energy from the LV-DC circuit to the HV-DC circuit. For this purpose, the DC/DC converter can be controlled accordingly by a control device, e.g. B. from a control device, which also controls the traction energy storage system. The traction energy storage system is preferably separated from the HV-DC circuit during pre-charging. This alternative embodiment thus also makes it possible for a pre-charging circuit to be omitted in the individual energy stores and for the installation space required and the costs for providing the pre-charging functionality to be advantageously reduced accordingly. A particular advantage of this embodiment is that an existing component, here the DC/DC converter, is used to provide the pre-charging functionality, so that additional components such as pre-charging contactors and pre-charging resistors can be dispensed with.
Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass mittels der vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsformen eine Vorladefunktionalität zentral bereitgestellt wird, so dass eine Vorladeschal tung in den einzelnen Energiespeichern somit entfallen kann. Entsprechend können gemäß einem weiteren Aspekt die mehreren elektrischen Energiespeicher des Traktionsenergiespei chersystems jeweils keine Vorladeschaltung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Traktionsenergiespeichersystem keine Vorladeschaltung aufweisen, die nur einem der meh reren elektrischen Energiespeicher zugeordnet ist. Mit anderen Worten weisen die einzelnen Energiespeicher des Traktionsenergiespeichersystems jeweils keine integrierte Vorladeschal tung auf, und/oder es ist keine Vorladeschaltung vorgesehen, die jeweils nur einem der meh reren elektrischen Energiespeicher zugeordnet ist. It has already been established above that a pre-charging functionality is provided centrally by means of the embodiments described above, so that a pre-charging circuit in the individual energy stores can thus be omitted. Correspondingly, according to a further aspect, the plurality of electrical energy stores of the traction energy store system can each have no pre-charging circuit. Alternatively or additionally, the traction energy storage system may not have a pre-charging circuit that is only assigned to one of the several electrical energy storage devices. In other words, the individual energy stores of the traction energy storage system each have no integrated pre-charging circuit and/or no pre-charging circuit is provided which is assigned to only one of the several electrical energy stores.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass jeder der mehreren Energiespeicher des Traktionsenergiespeichersystems an stelle einer herkömmlichen Vorladeschaltung, umfassend einen Hauptschütz, Vorladeschütz und Vorladewiderstand, stattdessen eine Vorladeschaltung aufweist und/oder einer eigenen Vorladeschaltung zugeordnet ist, die zum Begrenzen von Zuschaltströmen beim Zuschalten des Energiespeichers eine zum Hauptschütz des Energiespeichers parallelgeschaltete puls weitenmodulierte Halbleiterbaugruppe umfasst. Eine pulsweitenmodulierte (PWM) Halbleiter baugruppe ist eine Halbleiterbaugruppe, die im PWM-Betrieb betreibbar ist, um dem Strom beim Vorladen zu begrenzen. Das Vorladen erfolgt hier somit über die PWM-Schaltung in Form der Halbleiterbaugruppe. Entsprechend können wiederum der Vorladeschütz und der Vorla-
dewiderstand in jedem der Energiespeicher entfallen, die stattdessen durch die PWM-Schal- tung ersetzt werden. Hierdurch ergibt sich eine deutliche Miniaturisierung der Vorladeschal tung. Entsprechend können sowohl Kosten als auch Gewicht eingespart werden. Die Halblei terbaugruppe kann Leistungshalbleiter, MOSFETs o. Ä. umfassen, die im PWM-Betrieb zur Einstellung unterschiedlicher Ströme ansteuerbar sind. Die Halbleiterbaugruppe kann bei spielsweise zwischen niederohmig und hochohmig variabel geschaltet werden, um den Strom aus dem jeweiligen Energiespeicher beim Vorladen einzustellen, insbesondere zu begrenzen.According to a second aspect of the invention, the object of the invention is achieved in that each of the multiple energy storage devices of the traction energy storage system has a pre-charging circuit instead of a conventional pre-charging circuit comprising a main contactor, pre-charging contactor and pre-charging resistor and/or is assigned its own pre-charging circuit, which Limiting inrush currents when the energy store is switched on includes a pulse-width-modulated semiconductor assembly connected in parallel to the main contactor of the energy store. A pulse width modulated (PWM) semiconductor device is a semiconductor device that can be operated in PWM mode in order to limit the current during precharging. The pre-charging takes place here via the PWM circuit in the form of the semiconductor assembly. Accordingly, the pre-charging contactor and the pre-charging deresistance in each of the energy stores are eliminated, which are instead replaced by the PWM circuit. This results in a significant miniaturization of the pre-charging circuit. Accordingly, both costs and weight can be saved. The semiconductor assembly can be power semiconductors, MOSFETs or similar. include, which can be controlled in PWM operation to set different currents. The semiconductor assembly can be variably switched between low-impedance and high-impedance, for example, in order to adjust, in particular to limit, the current from the respective energy store during precharging.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann jeder der mehreren Energiespeicher ein oder mehrere zusammengeschaltete Zellmodule und eine mit dem mindestens einen Zellmodul in Signalver bindung stehende Energiespeichersteuerung umfassen, und das mindestens eine Zellmodul kann jeweils mehrere zusammengeschaltete Speicherzellen und eine mit den Speicherzellen in Signalverbindung stehende Zellmodulsteuerung umfassen. Ferner kann jede Zellmodul steuerung dazu ausgebildet sein, Zellzustände der in Signalverbindung stehenden Speicher zellen zu erfassen und aufgrund der erfassten Zellzustände einen Modulzustand auszugeben. Ferner kann jede Energiespeichersteuerung dazu ausgebildet sein, aufgrund des mindestens einen Modulzustands einen Speicherzustand zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann das Traktionsenergiespeichersystem eine mit den Energiespeichersteuerungen in Signalver bindung stehende Systemsteuerung umfassen. According to a further aspect, each of the multiple energy storage devices can comprise one or more interconnected cell modules and an energy storage controller in signal communication with the at least one cell module, and the at least one cell module can each comprise a plurality of interconnected storage cells and a cell module controller in signal communication with the storage cells. Furthermore, each cell module controller can be designed to detect cell statuses of the memory cells that have a signal connection and to output a module status based on the detected cell statuses. Furthermore, each energy storage controller can be designed to determine a storage state on the basis of the at least one module state. Alternatively or additionally, the traction energy storage system may include a system controller in signal communication with the energy storage controls.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Offenbarung ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug, das ein elektrisches Antriebssystem, wie es in diesem Dokument beschrieben ist, umfasst. According to another aspect, the disclosure includes a vehicle, preferably a motor vehicle, including an electric drive system as described in this document.
Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug, z. B. ein Personenkraftfahrzeug sein. Besonders vor zugsweise handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Nutzfahrzeug. In diesem Fall kann es sich bei dem Kraftfahrzeug mit anderen Worten um ein Kraftfahrzeug handeln, das durch seine Bauart und Einrichtung zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Kraftfahrzeug um einen Lastkraftwagen, einen Omnibus und oder einen Sattelzug handeln, der zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist. Das Fahrzeug kann ferner ein Luftfahrzeug (Flugzeug), ein schienengebundenes Fahrzeug oder ein Wasserfahrzeug, z. B. ein Schiff, sein. The vehicle can be a motor vehicle, e.g. B. be a passenger vehicle. The motor vehicle is preferably a commercial vehicle. In this case, the motor vehicle can, in other words, be a motor vehicle which, due to its design and equipment, is designed for transporting people, for transporting goods or for towing trailer vehicles. For example, the motor vehicle can be a truck, a bus and/or an articulated lorry that is at least partially electrically driven. The vehicle can also be an aircraft (plane), a rail vehicle or a watercraft, e.g. B. a ship.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem mit einer zentralen Vorladeschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Further details and advantages of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. Show it: FIG. 1 shows an electric drive system with a central pre-charging circuit according to an embodiment of the invention;
Figur 2 ein elektrisches Antriebssystem mit einem DC/DC-Wandler zur Bereitstellung der Vorladefunktionalität gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;FIG. 2 shows an electrical drive system with a DC/DC converter for providing the pre-charging functionality according to a further embodiment of the invention;
Figur 3 ein elektrisches Antriebssystem mit in die einzelnen Energiespeicher integrierten Vorladeschaltungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; undFIG. 3 shows an electric drive system with pre-charging circuits integrated into the individual energy stores according to a further embodiment of the invention; and
Figur 4 ein Nutzfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer Ausfüh rungsform. FIG. 4 shows a commercial vehicle with an electric drive system according to one embodiment.
Gleiche oder äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen be zeichnet und zum Teil nicht gesondert beschrieben. Identical or equivalent elements are denoted by the same reference symbols in all figures and some of them are not described separately.
Figur 1 illustriert eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein elektrisches Antriebssystem 100 für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise ein Nutz fahrzeug, umfasst ein Gleichstromnetz (Hochvolt-Gleichspannungskreis, HV-DC-Kreis) 2, das die elektrische Energie eines Traktionsenergiespeichersystems 10 z. B. an den elektrischen Antriebsmotor 8 des Fahrzeugs überträgt. Der Antriebsmotor ist in einem Wechselspannungs kreis (AC-Kreis) 3 angeordnet. Das Gleichstromnetz wird vorliegend als Hochvolt-Gleichspan nungskreis (HV-DC-Kreis) 2 bezeichnet, da die vom Traktionsenergiespeichersystem 10 be reitgestellte Spannung eine Hochvolt-Spannung ist und mehrere Hundert Volt betragen kann.Figure 1 illustrates a first embodiment of the invention. An electric drive system 100 for an at least partially electrically powered vehicle, such as a commercial vehicle, includes a direct current network (high-voltage direct current circuit, HV-DC circuit) 2, the electrical energy of a traction energy storage system 10 z. B. to the electric drive motor 8 of the vehicle. The drive motor is in an alternating voltage circuit (AC circuit) 3 is arranged. The direct-current network is referred to here as a high-voltage direct-current voltage circuit (HV-DC circuit) 2 since the voltage provided by the traction energy storage system 10 is a high-voltage voltage and can amount to several hundred volts.
Der elektrische Antriebsmotor 8 wird in der Regel nicht mit der Gleichspannung des Gleich stromnetzes 2 versorgt, sondern mit Wechselstrom. Deshalb ist ein AC/DC-Wechselrichter (Inverter) 4 vorgesehen, der den HV-DC-Kreis 2 und AC-Kreis 3 koppelt. Der AC/DC-Wech selrichter 4 hat dabei die Aufgabe, den Gleichstrom des Gleichstromnetzes in das jeweilige Stromprofil umzuformen und umgekehrt, beispielsweise zur Rekuperation von Bewegungs energie des Kraftfahrzeuges. Somit liegen gekoppelte Gleich- und Wechselstromnetze vor.The electric drive motor 8 is not usually supplied with the direct voltage of the direct current network 2, but with alternating current. Therefore, an AC/DC converter (inverter) 4 is provided, which couples the HV-DC circuit 2 and the AC circuit 3 . The AC/DC inverter 4 has the task of converting the direct current of the direct current network into the respective current profile and vice versa, for example to recuperate kinetic energy of the motor vehicle. This means that there are coupled DC and AC networks.
Der Wechselrichter kann ausgebildet sein, Wicklungen des Antriebsmotors 8 bedarfsgerecht zu bestromen und dadurch im Antriebsmotor eine Drehzahl und ein Drehmoment, und damit einen gewünschten oder angeforderten Arbeitspunkt, einzustellen. Der AC/DC-Wechselrichter
4 umfasst eine Leistungseinheit, aufweisend eine Leistungs-Halbleiterelemente aufweisende Schaltungsanordnung. The inverter can be designed to energize the windings of the drive motor 8 as required and thereby set a speed and a torque in the drive motor, and thus a desired or required operating point. The AC/DC inverter 4 comprises a power unit having a circuit arrangement having power semiconductor elements.
Das Traktionsenergiespeichersystem 10 bildet eine Multi-Batterie-Architektur aus, d. h., es wird durch mehrere Energiespeicher (z. B. Batterien) gebildet, die parallel und/oder seriell am HV-DC-Kreis 2 angeschlossen sind. Im Beispiel der Figur 1 ist eine Ausführungsvariante ge zeigt, bei der die Energiespeicher 11a, 11b, ... , 11 n parallel geschaltet sind. Hierzu sind die Plusleitungen 17a, 17b, ..., 17n der einzelnen Energiespeicher 11a, 11b, ..., 11 n auf eine ge meinsamen Plusleitung 17 des Traktionsenergiespeichersystem 10 gelegt. Entsprechendes gilt für die Minusleitungen 18a, 18b, ..., 18n der einzelnen Energiespeicher 11a, 11b, ..., 11 n, die auf eine gemeinsame Minusleitung 18 gelegt sind. The traction energy storage system 10 forms a multi-battery architecture, i. That is, it is formed by a plurality of energy stores (e.g. batteries), which are connected in parallel and/or in series to the HV-DC circuit 2 . In the example of FIG. 1, an embodiment variant is shown in which the energy stores 11a, 11b, . . . , 11n are connected in parallel. For this purpose, the plus lines 17a, 17b, ..., 17n of the individual energy stores 11a, 11b, ..., 11n are placed on a common plus line 17 of the traction energy storage system 10 . The same applies to the negative lines 18a, 18b, ..., 18n of the individual energy stores 11a, 11b, ..., 11n, which are connected to a common negative line 18.
Jeder der Energiespeicher 11a, 11b, ... , 11 n umfasst mehrere Energiespeicherzellen 12, eine Energiespeichersteuerung 13 und Hauptschütze 15, 16. Die Hauptschütze 15, 16 sind von der Energiespeichersteuerung 13 ansteuerbar, um den jeweiligen Energiespeicher wahlweise an den HV-DC-Kreis 2 zuzuschalten oder wegzuschalten. Each of the energy stores 11a, 11b, ..., 11n comprises a plurality of energy storage cells 12, an energy storage control 13 and main contactors 15, 16. The main contactors 15, 16 can be controlled by the energy storage control 13 in order to optionally connect the respective energy storage to the HV-DC switch circuit 2 on or off.
Das Traktionsenergiespeichersystem 10 umfasst ferner eine mit den Energiespeichersteue rungen 13 in Signalverbindung stehende Systemsteuerung oder zentrale Steuervorrichtung 5, die ausgebildet ist, eine Steueranweisung an die Energiespeichersteuerungen 13 auszuge ben, um so den Betrieb der einzelnen Energiespeicher 11a, 11b, ..., 11n zu koordinieren. Die zentrale Steuervorrichtung 5 kann als Master-Steuerung fungieren, die die Energiespeicher steuerungen 13 als Slaves aussteuert. Die Signalverbindung zwischen der zentralen Steuer vorrichtung 5 und den Energiespeichersteuerungen 13 ist durch die strichpunktierte Linie 6 illustriert. Jeder der Energiespeicher 11a, 11b, ..., 11 n kann ein eigenes Energiespeicherge häuse 14 aufweisen, in dem die Speicherzellen 12, die Energiespeichersteuerung 13 und die Hauptschütze 15, 16 untergebracht sind. The traction energy storage system 10 also includes a system control or central control device 5 which is signal-connected to the energy storage controls 13 and is designed to issue a control instruction to the energy storage controls 13 in order to control the operation of the individual energy storage devices 11a, 11b, ..., 11n coordinate. The central control device 5 can act as a master controller that controls the energy storage controls 13 as slaves. The signal connection between the central control device 5 and the energy storage controls 13 is illustrated by the dot-dash line 6 . Each of the energy storage devices 11a, 11b, ..., 11n can have its own energy storage device housing 14, in which the storage cells 12, the energy storage control device 13 and the main contactors 15, 16 are housed.
Eine Besonderheit des Traktionsenergiespeichersystems 10 liegt darin, dass die elektrischen Energiespeicher 11a, 11b, ... , 11 n jeweils keine integrierte Vorladeschaltung aufweisen.A special feature of the traction energy storage system 10 is that the electrical energy stores 11a, 11b, . . . , 11n each have no integrated pre-charging circuit.
Stattdessen wird die Vorladefunktionalität zentral durch eine zentrale Vorladeschaltung 20 be reitgestellt. Die zentrale Vorladeeinrichtung 20 umfasst einen Hauptschütz 21 in einem ersten Leitungsabschnitt sowie einen Vorladeschütz 22 und einen Vorladewiderstand 23, die in einem zweiten Leitungsabschnitt, der parallel zum ersten Leitungsabschnitt ist, angeordnet sind. Mit tels des Hauptschützes 21 und des Vorladeschützes 22 ist ein Lastausgang 17 (Plusleitung)
des Traktionsenergiespeichersystems 10 zum HV-DC-Kreis 2 zuschaltbar und von diesem ab schaltbar. Die zentrale Vorladeeinrichtung 20 ist vorliegend als eine zentrale Vorlade-Box 24 ausgeführt, die ein eigenes Gehäuse aufweist. Instead, the pre-charging functionality is provided centrally by a central pre-charging circuit 20 . The central pre-charging device 20 comprises a main contactor 21 in a first line section and a pre-charging contactor 22 and a pre-charging resistor 23 which are arranged in a second line section which is parallel to the first line section. With means of the main contactor 21 and the pre-charging contactor 22 is a load output 17 (positive line) of the traction energy storage system 10 can be connected to the HV-DC circuit 2 and can be switched off from there. In the present case, the central pre-charging device 20 is designed as a central pre-charging box 24 which has its own housing.
Der Hauptschütz 21 und der Vorladeschütz 22 können zur Veränderung ihrer Schaltstellung von der Steuervorrichtung 5 angesteuert werden und stehen hierzu in Signalverbindung mit der Steuervorrichtung 5 (nicht dargestellt). Im normalen Betrieb ist der Vorladeschütz 22 offen und der Hauptschütz 21 geschlossen, so dass der Strom über den oberen Leitungsabschnitt fließt. Zum Vorladen wird jedoch der Hauptschütz 21 geöffnet und der Vorladeschütz 22 ge schlossen, um den oberen Leitungsabschnitt zu überbrücken. Der Strom fließt somit über den unteren Leitungsabschnitt und wird durch den Vorladewiderstand 23 begrenzt. The main contactor 21 and the pre-charging contactor 22 can be controlled by the control device 5 in order to change their switching position, and for this purpose they have a signal connection to the control device 5 (not shown). In normal operation, the pre-charging contactor 22 is open and the main contactor 21 is closed, so that the current flows via the upper line section. For pre-charging, however, the main contactor 21 is opened and the pre-charging contactor 22 is closed in order to bridge the upper line section. The current thus flows via the lower line section and is limited by the pre-charging resistor 23 .
Entsprechend kann mit weniger Bauraumbedarf und weniger Kosten eine Vorladefunktionalität für das gesamte Traktionsenergiespeichersystem 10 bereitgestellt werden, z. B. um beim Zu schalten des Traktionsenergiespeichersystems 10 eine Zwischenkreiskapazität 7 aufzuladen und allgemein kurzschlussartige Zuschaltströme zu vermeiden. Accordingly, a pre-charging functionality for the entire traction energy storage system 10 can be provided with less installation space and lower costs, e.g. B. to charge an intermediate circuit capacitance 7 when switching on the traction energy storage system 10 and generally to avoid short-circuit-type switch-on currents.
Es wird betont, dass das elektrische Antriebssystem 100 weitere Komponenten umfassen kann, beispielsweise diverse weitere elektrische Verbraucher, z. B. Nebenaggregate und/oder weitere Inverter. Ferner kann das HV-DC-Netzt über einen DC/DC-Wandler mit einem Nieder- spannungs-DC-Netz gekoppelt sein oder koppelbar sein. It is emphasized that the electric drive system 100 can include other components, for example various other electrical loads, e.g. B. Ancillaries and / or other inverters. Furthermore, the HV-DC network can be or can be coupled to a low-voltage DC network via a DC/DC converter.
Figur 2 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einem DC/DC-Wandler zur Bereitstellung der Vorladefunktionalität gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. FIG. 2 shows an electrical drive system with a DC/DC converter for providing the pre-charging functionality according to a further embodiment of the invention.
Das elektrische Antriebssystem 200 umfasst wieder das Traktionsenergiespeichersystem 10, den Inverter 4, die Zwischenkreiskapazität 7 und den Antriebsmotor 8, wie es bereits in Figur 1 beschrieben wurde. Das elektrisches Antriebssystem 200 umfasst ferner einen bidirektiona len DC/DC-Wandler 40, einen Niederspannungs-Gleichspannungskreis (LV-DC-Kreis) 50 so wie eine im LV-DC-Kreis 50 angeordnete Batterie 51 , z. B. eine Bleisäurebatterie, und eine Last 52. Der LV-DC-Kreis 50 wird mit einer Nennspannung betrieben, z. B. 12 oder 24 Volt, die geringer ist als die Nennspannung des HV-DC-Kreises 2. The electric drive system 200 again includes the traction energy storage system 10, the inverter 4, the intermediate circuit capacitor 7 and the drive motor 8, as has already been described in FIG. The electric propulsion system 200 further comprises a bidirectional DC/DC converter 40, a low-voltage direct current (LV-DC) circuit 50 and a battery 51 arranged in the LV-DC circuit 50, e.g. a lead-acid battery, and a load 52. The LV-DC circuit 50 is operated at a nominal voltage, e.g. B. 12 or 24 volts, which is less than the nominal voltage of the HV-DC circuit 2.
Auch hier weisen die elektrischen Energiespeicher 11a, 11b, ..., 11 n wiederum jeweils keine integrierte Vorladeschaltung auf. In der Ausführungsform der Figur 2 wird die Vorladefunktio nalität zum Begrenzen von Zuschaltströmen beim Zuschalten des Traktionsenergiespeicher-
Systems 10 wiederum stattdessen zentral bereitgestellt. Die Besonderheit dieser Ausführungs form 200 liegt darin, dass ein DC/DC-Wandler diese Funktionalität bereitstellt. Mit anderen Worten wird die zentrale Vorladefunktionalität durch den DC/DC-Wandler 40 gebildet. Der DC/DC-Wandler 40 wird beim Zuschalten des Traktionsenergiespeichersystems 10 so ange steuert, z. B. von der Steuervorrichtung 5, dass der DC/DC-Wandler 40 in dieser Phase zum Vorladen des HV-DC-Kreises 2 Energie aus der Batterie 51 im LV-DC-Kreis 50 in den HV-DC- Kreis 2 überträgt. In dieser Vorladephase ist das Traktionsenergiespeichersystem 10 z. B. über die Trennvorrichtung 19 vom HV-DC-Kreis 2 getrennt. Here, too, the electrical energy stores 11a, 11b, . . . , 11n each have no integrated precharging circuit. In the embodiment of Figure 2, the Vorladefunktio nality for limiting inrush currents when switching on the traction energy storage Systems 10 in turn provided centrally instead. The special feature of this embodiment 200 is that a DC/DC converter provides this functionality. In other words, the central pre-charging functionality is formed by the DC/DC converter 40 . The DC / DC converter 40 is when switching on the traction energy storage system 10 controls such. B. from the control device 5 that the DC / DC converter 40 in this phase for pre-charging the HV-DC circuit 2 energy from the battery 51 in the LV-DC circuit 50 in the HV-DC circuit 2 transmits. In this pre-charging phase, the traction energy storage system 10 z. B. separated from the HV-DC circuit 2 via the separator 19 .
Entsprechend kann mit weniger Bauraumbedarf und weniger Kosten eine Vorladefunktionalität für das gesamte Traktionsenergiespeichersystem 10 bereitgestellt werden, z. B., um vor Zu schalten des Traktionsenergiespeichersystems 10 zuerst mittels des DC/DC-Wandlers über die Batterie 61 die Zwischenkreiskapazität 8 und andere Kapazitäten im HV-DC-Kreis 2 vor zuladen. Accordingly, a pre-charging functionality for the entire traction energy storage system 10 can be provided with less installation space and lower costs, e.g. B., before switching on the traction energy storage system 10, first by means of the DC/DC converter via the battery 61, the intermediate circuit capacity 8 and other capacities in the HV-DC circuit 2 before charging.
Es wird betont, dass das elektrische Antriebssystem 200 weitere Komponenten umfassen kann, beispielsweise diverse weitere elektrische Verbraucher, z. B. Nebenaggregate und/oder weitere Inverter. It is emphasized that the electric drive system 200 can include other components, for example various other electrical consumers, e.g. B. Ancillaries and / or other inverters.
Figur 3 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 300 mit in die einzelnen Energiespeicher inte grierten Vorladeschaltungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. FIG. 3 shows an electric drive system 300 with pre-charging circuits integrated into the individual energy stores according to a further embodiment of the invention.
Das elektrisches Antriebssystem 300 umfasst wieder ein Traktionsenergiespeichersystem 10‘ zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für den HV-DC-Kreis 2 sowie den Inverter 4, die Zwischenkreiskapazität 7 und den Antriebsmotor 8, wie es bereits in Figur 1 beschrieben wurde. The electrical drive system 300 again includes a traction energy storage system 10' for providing electrical power for the HV-DC circuit 2 and the inverter 4, the intermediate circuit capacitor 7 and the drive motor 8, as has already been described in FIG.
Das Traktionsenergiespeichersystem 10‘ umfasst wiederum mehrere elektrische Energiespei cher 11 a‘, 11 b‘, 11n‘, wobei jeder Energiespeicher mehrere Zellen 12 und eine Energiespei chersteuerung 13 umfasst. The traction energy storage system 10' in turn comprises a plurality of electrical energy storage devices 11a', 11b', 11n', with each energy storage device comprising a plurality of cells 12 and an energy storage controller 13.
Die Besonderheit dieser Ausführungsform liegt darin, dass jeder der mehreren elektrischen Energiespeicher 11 a‘, 11b‘, 11 n‘ eine Vorladeschaltung 30 zum Begrenzen von Zuschaltströ men beim Zuschalten des Energiespeichers aufweist, wobei die Vorladeschaltung 30 eine zum Hauptschütz 15 des jeweiligen Energiespeichers parallelgeschaltete pulsweitenmodulierte Halbleiterbaugruppe 31 umfasst.
Die in jeden der Energiespeicher integrierte Vorladeschaltung umfasst somit nicht einen zum Hauptschütz parallel angeordneten Leitungszweig, in dem ein Vorladeschütz und ein Vorlade widerstand in Reihe angeordnet sind, sondern der Vorladeschütz und der Vorladewiderstand sind ersetzt durch eine Halbleiterbaugruppe 31 , die zum Vorladen im PWM-Betrieb betrieben wird. Die Halbleiterbaugruppe 31 kann Leistungshalbleiter, MOSFETs o. Ä. umfassen, die im PWM-Betrieb zur Einstellung unterschiedlicher Ströme ansteuerbar sind. Die Halbleiterbau gruppe 31 kann beispielsweise zwischen niederohmig und hochohmig variabel geschaltet wer den, um den Strom aus dem jeweiligen Energiespeicher beim Vorladen einzustellen, insbe sondere zu begrenzen. Hierdurch ergibt sich eine deutliche Miniaturisierung der Vorladeschal tung. Entsprechend können Kosten als auch Gewicht eingespart werden. Beim Vorladen wird die Halbleiterbaugruppe 31 entsprechend zur Begrenzung des Stromes im PWM-Betrieb an gesteuert, beispielsweise von der Steuereinrichtung 5. The special feature of this embodiment is that each of the several electrical energy stores 11a', 11b', 11n' has a pre-charging circuit 30 for limiting inrush currents when the energy store is switched on, with the pre-charging circuit 30 having a pulse width modulated circuit connected in parallel with the main contactor 15 of the respective energy store Semiconductor assembly 31 includes. The pre-charging circuit integrated in each of the energy stores does not therefore include a line branch arranged in parallel with the main contactor, in which a pre-charging contactor and a pre-charging resistor are arranged in series, but rather the pre-charging contactor and the pre-charging resistor are replaced by a semiconductor assembly 31, which is used for pre-charging in PWM operation is operated. The semiconductor assembly 31 can be power semiconductors, MOSFETs or the like. include, which can be controlled in PWM operation to set different currents. The semiconductor construction group 31 can, for example, be variably switched between low-impedance and high-impedance in order to set the current from the respective energy store during precharging, in particular to limit it. This results in a significant miniaturization of the pre-charging circuit. Accordingly, costs and weight can be saved. During pre-charging, the semiconductor assembly 31 is controlled accordingly to limit the current in PWM operation, for example by the control device 5.
Es wird betont, dass das elektrische Antriebssystem 300 weitere Komponenten umfassen kann, beispielsweise diverse weitere elektrische Verbraucher, z. B. Nebenaggregate und/oder weitere Inverter. It is emphasized that the electric drive system 300 can include other components, for example various other electrical loads, e.g. B. Ancillaries and / or other inverters.
Figur 4 illustriert schematisch ein Nutzfahrzeug 1 , das mit einem elektrischen Antriebssystem 100, 200 oder 300, wie es zuvor beschrieben wurde, ausgestattet ist. Figure 4 illustrates schematically a commercial vehicle 1, which is equipped with an electric drive system 100, 200 or 300 as previously described.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbei spiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug ge nommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste Although the invention has been described with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made and equivalents substituted without departing from the scope of the invention. Accordingly, the invention should not be limited to the disclosed embodiments, but should include all embodiments falling within the scope of the appended claims. In particular, the invention also claims protection for the subject matter and the features of the subclaims independently of the claims referred to. Reference List
1 Kraftfahrzeug, z. B. Nutzfahrzeug 1 motor vehicle, e.g. B. commercial vehicle
2 Hochvolt-Gleichspannungskreis (HV-DC-Kreis)2 high-voltage direct current circuit (HV-DC circuit)
3 Wechselspannungskreis (AC-Kreis) 3 AC voltage circuit (AC circuit)
4 AC/DC-Wechselrichter 4 AC/DC inverters
5 Steuervorrichtung 5 control device
6 Signalleitung 6 signal line
7 Zwischenkreiskondensator 7 intermediate circuit capacitor
8 Elektrische Antriebsmaschine 10, 10‘ Traktionsenergiespeichersystem 8 Electric prime mover 10, 10' traction energy storage system
11a, 11b, ..., 11 n Elektrischer Energiespeicher 11a, 11b, ..., 11n Electrical energy store
11 a‘, 11 b‘, ..., 11 n‘ Elektrischer Energiespeicher 11 a', 11 b', ..., 11 n' Electrical energy store
12 Batteriezellen 12 battery cells
13 Energiespeichersteuerung 13 energy storage control
14 Energiespeichergehäuse 14 energy storage housing
15 Hauptschütz 15 main contactor
16 Hauptschütz 16 main contactor
17 Plusleitung 17 positive line
18 Minusleitung 18 negative line
19 Trennvorrichtung 19 separator
20 Zentrale Vorladeeinrichtung 20 Central preloading device
21 Hauptschütz 21 main contactor
22 Vorladeschütz 22 precharge contactor
23 Vorladewiderstand 23 pre-charge resistor
24 Vorladebox 24 preload box
30 Vorladeschaltung 30 precharge circuit
31 Pulsweitenmodulierte Halbleiterbaugruppe 31 Pulse width modulated semiconductor assembly
40 DC/DC-Wandler 40 DC/DC converters
50 Niederspannungs-Gleichspannungskreis (LV-DC-Kreis)50 low-voltage direct current (LV-DC) circuit
51 Spannungsquelle, z. B. Batterie 51 voltage source, e.g. B. Battery
100 Elektrisches Antriebssystem 100 Electric Propulsion System
200 Elektrisches Antriebssystem 200 Electric Propulsion System
300 Elektrisches Antriebssystem
300 Electric Propulsion System
Claims
1. Elektrisches Antriebssystem (100; 200) für ein Fahrzeug, umfassend a) einen Hochvolt-Gleichspannungskreis, HV-DC-Kreis, (2); b) einen Wechselspannungskreis, AC-Kreis, (3); c) einen AC/DC-Wechselrichter (4) zur Kopplung von HV-DC-Kreis (2) und AC- Kreis (3); d) ein Traktionsenergiespeichersystem (10) zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für den HV-DC-Kreis (2), umfassend mehrere elektrische Energiespeicher (11a, 11b, 11n), wobei jeder Energiespeicher (11a, 11b, 11 n) mehrere Zellen (12) und eine Energiespeichersteuerung (13) umfasst, und e) eine zentrale Vorladeeinrichtung (20; 40) zum Begrenzen von Zuschaltströmen beim Zuschalten des Traktionsenergiespeichersystems (10). 1. Electrical drive system (100; 200) for a vehicle, comprising a) a high-voltage direct current circuit, HV-DC circuit, (2); b) an alternating voltage circuit, AC circuit, (3); c) an AC/DC inverter (4) for coupling the HV-DC circuit (2) and the AC circuit (3); d) a traction energy storage system (10) for providing electrical power for the HV-DC circuit (2), comprising a plurality of electrical energy storage devices (11a, 11b, 11n), each energy storage device (11a, 11b, 11n) having a plurality of cells (12 ) and an energy storage controller (13), and e) a central pre-charging device (20; 40) for limiting connection currents when the traction energy storage system (10) is switched on.
2. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 1 , wobei die zentrale Vorladeeinrich tung (20) einen Hauptschütz (21), einen Vorladeschütz (22) und einen Vorladewider stand (23) aufweist, wobei mittels des Hauptschützes (21) und des Vorladeschützes (22) ein Lastausgang (17) des Traktionsenergiespeichersystems zum HV-DC-Kreis (2) zuschaltbar und von diesem abschaltbar ist. 2. Electrical drive system (100) according to claim 1, wherein the central pre-loading device (20) has a main contactor (21), a pre-loading contactor (22) and a pre-loading resistor (23), with the main contactor (21) and the pre-loading contactor ( 22) a load output (17) of the traction energy storage system can be connected to and disconnected from the HV-DC circuit (2).
3. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 2, wobei die zentrale Vorladeeinrich tung (20) als eine zentrale Vorlade-Box (24) ausgeführt ist, die vorzugsweise ein eige nes Gehäuse aufweist. 3. Electrical drive system (100) according to claim 2, wherein the central Vorladeeinrich device (20) is designed as a central Vorlade-Box (24), which preferably has its own Nes housing.
4. Elektrisches Antriebssystem (200) nach Anspruch 1 , ferner aufweisend einen bidirekti onalen DC/DC-Wandler (40); einen Niederspannungs-Gleichspannungskreis, LV-DC- Kreis, (50); eine im LV-DC-Kreis angeordnete Spannungsquelle, vorzugsweise eine Batterie (51), wobei die zentrale Vorladeschaltung durch den DC/DC-Wandler (40) ge bildet ist, wobei der DC/DC-Wandler (40) ausgebildet ist und/oder angesteuert wird, zum Vorladen des HV-DC-Kreises (2) Energie aus dem LV-DC-Kreis (50) in den HV- DC-Kreis (21) zu übertragen. 4. Electrical drive system (200) according to claim 1, further comprising a bidirectional onal DC / DC converter (40); a low voltage direct current, LV-DC circuit (50); a voltage source arranged in the LV-DC circuit, preferably a battery (51), the central pre-charging circuit being formed by the DC/DC converter (40), the DC/DC converter (40) being formed and/or is controlled to transfer energy from the LV DC circuit (50) to the HV DC circuit (21) for precharging the HV DC circuit (2).
5. Elektrisches Antriebssystem (100; 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, a) wobei die mehreren elektrischen Energiespeicher (11a, 11b, 11 n) des Trakti onsenergiespeichersystems (10) jeweils keine Vorladeschaltung aufweisen; und/oder
b) wobei das Traktionsenergiespeichersystem (10) keine Vorladeschaltung auf weist, die nur einem der mehreren elektrischen Energiespeicher (11a, 11b, 11 n) zuge ordnet ist. 5. Electrical drive system (100; 200) according to one of the preceding claims, a) wherein the plurality of electrical energy stores (11a, 11b, 11n) of the traction onsenergiespeichersystems (10) each have no pre-charging circuit; and or b) wherein the traction energy storage system (10) has no pre-charging circuit that is assigned to only one of the plurality of electrical energy storage devices (11a, 11b, 11n).
6. Elektrisches Antriebssystem (300) für ein Fahrzeug, umfassend a) einen Hochvolt-Gleichspannungskreis, HV-DC-Kreis, (2); b) einen Wechselspannungskreis, AC-Kreis, (3); c) einen AC/DC-Wechselrichter (4) zur Kopplung von HV-DC-Kreis (2) und AC- Kreis (3); d) ein Traktionsenergiespeichersystem (10‘) zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für den HV-DC-Kreis, umfassend mehrere elektrische Energiespeicher (11a‘, 11 b‘, 11 n‘), wobei jeder Energiespeicher mehrere Zellen (12) und eine Energiespei chersteuerung (13) umfasst, und e) wobei jeder der mehreren elektrischen Energiespeicher (11 a‘, 11 b‘, 11n‘) eine dem Energiespeicher zugeordnete und/oder in den Energiespeicher integrierte Vorla deschaltung (30) zum Begrenzen von Zuschaltströmen beim Zuschalten des Energie speichers aufweist, wobei die Vorladeschaltung (30) eine zum Hauptschütz (15) des Energiespeichers parallelgeschaltete pulsweitenmodulierte Halbleiterbaugruppe (31) umfasst. 6. Electrical drive system (300) for a vehicle, comprising a) a high-voltage direct current circuit, HV-DC circuit, (2); b) an alternating voltage circuit, AC circuit, (3); c) an AC/DC inverter (4) for coupling the HV-DC circuit (2) and the AC circuit (3); d) a traction energy storage system (10') for providing electrical power for the HV-DC circuit, comprising a plurality of electrical energy storage devices (11a', 11b', 11n'), each energy storage device having a plurality of cells (12) and an energy storage device control (13), and e) each of the multiple electrical energy stores (11a', 11b', 11n') having a precharging circuit (30) assigned to the energy store and/or integrated into the energy store to limit switch-on currents when the energy is switched on memory, wherein the pre-charging circuit (30) comprises a main contactor (15) of the energy storage device connected in parallel with a pulse width modulated semiconductor assembly (31).
7. Elektrisches Antriebssystem (100; 200; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei jeder der mehreren Energiespeicher a) ein oder mehrere zusammengeschaltete Zellmodule und eine mit dem mindestens einen Zellmodul in Signalverbindung stehende Energiespeichersteuerung umfasst und das mindestens eine Zellmodul jeweils mehrere zusammengeschaltete Speicherzellen und eine mit den Speicherzellen in Signalverbindung stehende Zellmodulsteuerung um fasst; und/oder b) ein Energiespeichergehäuse umfasst. 7. The electrical drive system (100; 200; 300) according to any one of the preceding claims, wherein each of the multiple energy stores comprises a) one or more interconnected cell modules and an energy store controller that is signal-connected to the at least one cell module, and the at least one cell module comprises a plurality of interconnected ones memory cells and a cell module controller in signal communication with the memory cells; and/or b) an energy storage housing.
8. Kraftfahrzeug (1) umfassend ein elektrisches Antriebssystem (100; 200; 300) nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche. 8. Motor vehicle (1) comprising an electric drive system (100; 200; 300) according to egg nem of the preceding claims.
9. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 8, wobei das Kraftfahrzeug ein Nutzfahrzeug, vor zugsweise ein Lastkraftwagen oder ein Omnibus, ist.
9. Motor vehicle (1) according to claim 8, wherein the motor vehicle is a utility vehicle, preferably a truck or a bus.
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