WO2011098307A2 - Vollständige integration von energiespeichern und leistungselektronik in elektro- und hybridfahrzeugen im umfeld ladestation/energienetz - Google Patents

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Definitions

  • electrochemical energy storage such as lithium-ion batteries are used as energy storage for the drive energy.
  • the energy stores are usually charged via an internal or external charger.
  • a converter is integrated, via which the alternating or three-phase supplied power supply network is coupled to the DC voltage intermediate circuit in the vehicle.
  • the charging station is mounted either inside or outside the vehicle. In the former case, the vehicle must have a connection for alternating or three-phase voltage, in second case for a DC voltage.
  • a control signal is transmitted between the charging station and the control electronics in the vehicle (for example, in a battery management unit), via which the energy flow between the charging station and the energy storage in the vehicle is controlled.
  • the invention aims to introduce an inexpensive and less complex arrangement which is suitable for the above-mentioned concepts.
  • a first aspect of the invention relates to an arrangement with an electric drive motor for driving a motor vehicle, an inverter connected to the drive motor, a DC voltage intermediate circuit connected to the inverter and a drive battery connected to the DC voltage intermediate circuit.
  • the arrangement comprises a motor contactor which is designed to disconnect the drive motor from the inverter to a control signal, and a connection arranged between the inverter and the motor contactor for an external AC voltage source.
  • motor contactor any suitable for the application switch may be meant.
  • a motor vehicle can be provided with the arrangement according to the invention.
  • the term "motor vehicle” is used for reasons of simplicity in the following description, by which is meant both a motor vehicle with the arrangement according to the invention and only the arrangement according to the invention per se, unless the context provides
  • the motor vehicle of the invention has the advantage that the converter required in the prior art in the charging station or the internal charger can be omitted, resulting in a reduction in the complexity of the infrastructure required for the use of the drive battery and a significant Reduction of costs If the internal charger is not required, this also results in a weight reduction of the motor vehicle with the advantages of a longer running time and greater
  • the invention is based on the recognition that the inverter of the motor vehicle can take over the tasks of the converter of the charging station or the internal charger.
  • the motor contactor becomes necessary to de-energize the drive motor when the drive battery is connected to the power grid.
  • the motor vehicle may additionally have a connection arranged in the DC intermediate circuit for an external DC voltage source. This makes it possible to continue to charge the motor vehicle with a conventional DC charger.
  • the drive battery preferably has at least one battery module with a plurality of battery cells and a DC / DC converter, wherein the DC / DC converter
  • the DC / DC converter decouples the battery cells of the battery module, which have an output voltage which depends on the respective state of charge, from the DC voltage intermediate circuit and thus enables a constant intermediate circuit voltage. This makes it possible to optimize the inverter for this constant DC link voltage and creates a uniform interface between energy storage and drive.
  • the motor vehicle can with a battery management unit and a decoder, which z. B. may be arranged downstream of the external AC voltage source, the battery management unit is configured to determine a state of charge of the drive battery and to generate control signals for the motor contactor and the inverter.
  • the decoder can be configured to receive and decode an external control signal modulated by the external AC voltage source to an external supply voltage and to pass on the decoded external control signal to the battery management unit.
  • the information required to control the energy flow between the drive battery and the power supply network is transmitted by modulating on the voltage of the external AC voltage source. This eliminates a separate signal line next to the lines for the charging voltage.
  • the transmission method used is oriented z. For example, in the so-called powerline communication for transmitting data signals via the energy supply network in households or office buildings ("Internet from the socket").
  • the battery management unit may be configured to generate control signals for the DC / DC converter, wherein the generation of the control signals for the DC / DC converter, the motor contactor and the inverter is dependent on the external control signal.
  • the battery management unit therefore controls the individual components of the motor vehicle network, but is controlled from the outside when the motor vehicle is connected to the power grid.
  • the motor vehicle may have a buffer capacitor connected in the DC intermediate circuit, which is designed to stabilize the DC voltage of the DC intermediate circuit.
  • a second aspect of the invention introduces a method for stabilizing an electrical energy supply network.
  • the method comprises the following steps:
  • a motor vehicle is used with a battery management unit which generates the control signals for the DC / DC converter, the motor contactor and the inverter depending on the external control signal.
  • Fig. 1 shows a block diagram of the motor vehicle according to the invention.
  • a battery module 10 with a plurality of battery cells serves as an energy store and is connected to a DC / DC converter 12, which converts the dependent of the respective state of charge of the battery cells output voltage of the battery module 10 in a predetermined DC link voltage and outputs to a DC intermediate circuit.
  • the DC / DC converter can convert the DC voltage of the DC intermediate circuit into a charging voltage for the battery module 10.
  • the DC intermediate circuit has a buffer capacitor 13 for smoothing the intermediate circuit voltage.
  • the motor vehicle of Fig. 1 also has an also optional terminal 14 for a DC voltage, via which the battery module 10 can be charged by an externally generated DC voltage.
  • the DC voltage intermediate circuit is connected to an inverter 15, which converts the intermediate circuit voltage into a drive voltage of suitable frequency for an electric drive motor 18.
  • the inverter can convert a fed via a terminal 16 for an external AC voltage source AC or three-phase voltage in a DC voltage for the DC intermediate circuit.
  • a motor contactor 1 or another switch suitable for the purpose is switched, which switches the electric drive motor 18 voltage when connected via the terminal 16, an external AC voltage source to the motor vehicle.
  • the motor vehicle also has a battery management unit 1 1, which is connected to the battery module 10, the DC / DC converter 12, the inverter 15 and the motor contactor 1 and controls their operation.
  • the terminal 16 has a decoder for a control signal modulated on the AC voltage of the external AC voltage source and is connected to the battery management unit 11.
  • the battery management unit 1 1 can in turn be controlled externally via the control signal in turn.
  • the alternating current fed in via the charging station is rectified and charges the drive battery (battery module 10 and the battery management unit 11) via the DC / DC converter 12, or the direct current drawn from the drive battery is re-directed via the inverter 15 and fed back into the power grid.
  • the charge management is advantageously carried out via the battery management unit 1 1, in which the algorithms required for this purpose can be integrated.
  • the battery charger required in the prior art is replaced by a combination of DC / DC converter 12 and battery management unit 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung von Energiefluss, wobei die Anordnung mit einem elektrischen Antriebsmotor (18) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges, einem mit dem Antriebsmotor (18) verbundenen Wechselrichter (15), einem mit dem Wechselrichter (15) verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Antriebsbatterie versehen ist. Die Anordnung weist ein Motorschütz (1), welches ausgebildet ist, den Antriebsmotor (18) vom Wechselrichter (15) auf ein Steuersignal hin abzutrennen, und einen zwischen Wechselrichter (15) und Motorschütz (1) angeordneten Anschluss (16) für eine externe Wechselspannungsquelle auf. Ferner wird ein Fahrzeug mit solch einer Anordnung beschrieben. Schließlich wird ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit solch einer Anordnung vorgestellt.

Description

Beschreibung Titel
Vollständige Integration von Energiespeichern und Leistungselektronik in Elektro- und Hybridfahrzeugen im Umfeld Ladestation/Energienetz
Stand der Technik
In Elektrofahrzeugen und sog. Hybrid-Fahrzeugen mit sowohl einem Elektro- als auch einem Verbrennungsmotor werden elektrochemische Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für die Antriebsenergie eingesetzt. Die Energiespeicher werden üblicherweise über ein internes oder externes Ladegerät aufgeladen.
Es existieren nun Konzepte, die Energiespeicher zur Stabilisierung des elektrischen Energieversorgungsnetzes zu nutzen, da die dezentrale Natur einer solchen Struktur große Vorteile besitzt. Besondere Bedeutung gewinnen derartige Konzepte im Zusammenhang mit dem vermehrten Einsatz erneuerbarer Energien. Durch die starke zeitliche Varianz der Verfügbarkeit bestimmter regenerativer Energie wie z.B. der Wind- oder der Solarenergie werden entsprechende Schwankungen des Leistungsangebotes im elektrischen Energieverteilungsnetz verursacht. Für die Gewährleistung einer stabilen elektrischen Energieversorgung ist es wünschenswert, diese Schwankungen durch geeignete Puffer wie z.B. Energiespeicher in Elektrofahrzeugen ausgleichen zu können.
Dazu wird vorgeschlagen, die in den Fahrzeugen eingebauten Energiespeicher über Ladestationen an das elektrische Energieversorgungsnetz zu koppeln. In diesen Ladestationen ist ein Umrichter integriert, über den das mit Wechsel- oder Drehstrom gespeiste Energieversorgungsnetz mit dem Gleichspannungszwischenkreis im Fahrzeug gekoppelt wird. Die Ladestation wird hierbei entweder innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs angebracht. Im ersteren Fall muss das Fahrzeug einen Anschluss für eine Wechsel- oder Drehspannung aufweisen, im zweiten Fall für eine Gleichspannung. Zusätzlich wird zwischen Ladestation und der Steuerelektronik im Fahrzeug (z.B. in einer Batteriemanagementeinheit) ein Steuersignal übertragen, über das der Energiefluss zwischen Ladestation und Energiespeicher im Fahrzeug gesteuert wird.
Die Erfindung hat das Ziel, eine preiswerte und weniger komplexe Anordnung einzuführen, welche für die obengenannten Konzepte geeignet ist.
Offenbarung der Erfindung
Ein erster Erfindungsaspekt betrifft eine Anordnung mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges, einem mit dem Antriebsmotor verbundenen Wechselrichter, einem mit dem Wechselrichter verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Antriebsbatterie. Erfindungsgemäß weist die Anordnung ein Motorschütz, welcher ausgebildet ist, den Antriebsmotor vom Wechselrichter auf ein Steuersignal hin abzutrennen, und einen zwischen Wechselrichter und Motorschütz angeordneten Anschluss für eine externe Wechselspannungsquelle auf. Soweit hier der Begriff„Motorschütz" verwendet wird, kann ein beliebiger für den Anwendungszweck geeigneter Schalter gemeint sein.
Vorteilhaft kann ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Anordnung versehen werden. Es wird explizit darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Einfach- heit in der folgenden Beschreibung der Begriff„Kraftfahrzeug" verwendet wird, womit sowohl ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Anordnung als auch nur die erfindungsgemäße Anordnung an sich gemeint ist, sofern nicht aus dem Kontext die letztere Möglichkeit ausgeschlossen wird. Das Kraftfahrzeug der Erfindung besitzt den Vorteil, dass der nach dem Stand der Technik benötigte Umrichter in der Ladestation bzw. das interne Ladegerät wegfallen können. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der Komplexität der zur Nutzung der Antriebsbatterie erforderlichen Infrastruktur sowie eine signifikante Kosten red uktion. Entfällt das interne Ladegerät, hat dies zudem eine Gewichts- reduktion des Kraftfahrzeuges mit den Vorteilen längerer Laufzeit und größerer
Beschleunigung zur Folge. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Wechselrichter des Kraftfahrzeuges die Aufgaben des Umrichters der Ladestation bzw. des internen Ladegerätes übernehmen kann. Das Motorschütz wird notwendig, um den Antriebsmotor spannungsfrei zu schalten, wenn die Antriebsbatterie mit dem Energieversorgungsnetz verbunden wird.
Aus Gründen der Kompatibilität mit vorbekannten Lösungen kann das Kraftfahrzeug jedoch zusätzlich einen im Gleichspannungszwischenkreis angeordneten Anschluss für eine externe Gleichspannungsquelle besitzen. Hierdurch wird es möglich, das Kraftfahrzeug weiterhin mit einem herkömmlichen Gleichspannungsladegerät aufzuladen.
Bevorzugt weist die Antriebsbatterie wenigstens ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einen DC/DC-Umsetzer auf, wobei der DC/DC-
Umsetzer ausgebildet ist, eine Batteriespannung des Batteriemoduls in eine vorbestimmte Gleichspannung umzusetzen und an den Gleichspannungszwischenkreis auszugeben und eine Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Aufladespannung umzusetzen und an das Batteriemodul auszugeben und so das Batteriemodul aufzuladen. Der DC/DC-Umsetzer entkoppelt die Batteriezellen des Batteriemoduls, welche eine vom jeweiligen Ladezustand abhängende Ausgangsspannung aufweisen, vom Gleichspannungszwischenkreis und ermöglicht so eine konstante Zwischenkreisspannung. Dies macht es möglich, den Wechselrichter für diese konstante Zwischenkreisspannung zu optimieren und schafft eine einheitliche Schnittstelle zwischen Energiespeicher und Antrieb.
Das Kraftfahrzeug kann mit einer Batteriemanagementeinheit und einem Decoder, welcher z. B. im Anschluss für die externe Wechselspannungsquelle angeordnet sein kann, ausgestattet sein, wobei die Batteriemanagementeinheit aus- gebildet ist, einen Ladezustand der Antriebsbatterie zu bestimmen und Steuersignale für das Motorschütz und den Wechselrichter zu erzeugen. Der Decoder kann ausgebildet sein, ein von der externen Wechselspannungsquelle auf eine externe Versorgungsspannung aufmoduliertes externes Steuersignal zu empfangen und zu decodieren und das decodierte externe Steuersignal an die Batterie- managementeinheit weiterzugeben. Die Übertragung der zur Steuerung des Energieflusses zwischen Antriebsbatterie und Energieversorgungsnetz benötigten Informationen erfolgt durch Aufmodulieren auf die Spannung der externen Wechselspannungsquelle. Dadurch kann eine gesonderte Signalleitung neben den Leitungen für die Ladespannung entfallen. Das verwendete Übertragungsverfahren orientiert sich z. B. an der sog. Po- werline-Communication zur Übertragung von Datensignalen über das Energieversorgungsnetz in Haushalten oder Bürogebäuden („Internet aus der Steckdose").
Dabei kann die Batteriemanagementeinheit ausgebildet sein, Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer zu erzeugen, wobei die Erzeugung der Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer, das Motorschütz und den Wechselrichter abhängig von dem externen Steuersignal ist. Die Batteriemanagementeinheit kontrolliert demzufolge die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugnetzes, wird dabei jedoch von außen gesteuert, wenn das Kraftfahrzeug an das Energieversorgungsnetz angeschlossen wird.
Das Kraftfahrzeug kann einen in den Gleichspannungszwischenkreis geschalteten Pufferkondensator besitzen, welcher ausgebildet ist, die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises zu stabilisieren.
Ein zweiter Erfindungsaspekt führt ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes ein. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
— Anschließen einer Anordnung oder eines Kraftfahrzeuges nach dem ersten Erfindungsaspekt an das elektrische Energieversorgungsnetz;
— Speichern von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz in der Antriebsbatterie der Anordnung oder des Kraftfahrzeuges während einer Zeitperiode geringer Netzbelastung; und
— Abgeben der gespeicherten elektrischen Energie an das Energieversorgungsnetz in einer Zeitperiode hoher Netzbelastung.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriemanagementeinheit, welche die Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer, das Motorschütz und den Wechselrichter abhängig von dem externen Steuersignal erzeugt, eingesetzt. Die Zeitperiode geringer Netzbelastung und die Zeitperi- ode hoher Netzbelastung werden der Batteriemanagementeinheit durch ein Steuersignal aus dem Energieversorgungsnetz angezeigt.
Zeichnungen
Beschreibung der Abbildung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges. Ein Batteriemodul 10 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen dient als Energiespeicher und ist mit einem DC/DC-Umsetzer 12 verbunden, welcher die vom jeweiligen Ladezustand der Batteriezellen abhängige Ausgangsspannung des Batteriemoduls 10 in eine vorgegebene Zwischenkreisspannung umwandelt und an einen Gleichspannungszwischenkreis ausgibt. Außerdem kann der DC/DC-Umsetzer die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Ladespannung für das Batteriemodul 10 umsetzen.
Der Gleichspannungszwischenkreis besitzt im abgebildeten Beispiel einen Pufferkondensator 13 zur Glättung der Zwischenkreisspannung. Das Kraftfahrzeug der Fig. 1 besitzt zudem einen ebenfalls optionalen Anschluss 14 für eine Gleichspannung, über den das Batteriemodul 10 durch eine extern erzeugte Gleichspannung aufgeladen werden kann. Der Gleichspannungszwischenkreis ist mit einem Wechselrichter 15 verbunden, welcher die Zwischenkreisspannung in einer Antriebsspannung geeigneter Frequenz für einen elektrischen Antriebsmotor 18 umsetzt. Außerdem kann der Wechselrichter eine über einen Anschluss 16 für eine externe Wechselspannungsquelle eingespeiste Wechsel- oder Drehstromspannung in eine Gleichspannung für den Gleichspannungszwischenkreis umsetzen.
Zwischen dem Anschluss 16 für die externe Wechselspannungsquelle und den elektrischen Antriebsmotor 18 ist ein Motorschütz 1 oder ein anderer für den Einsatzzweck geeigneter Schalter geschaltet, das den elektrischen Antriebsmotor 18 spannungsfrei schaltet, wenn über den Anschluss 16 eine externe Wechselspannungsquelle an das Kraftfahrzeug angeschlossen wird. Das Kraftfahrzeug verfügt außerdem über eine Batteriemanagementeinheit 1 1 , welche mit dem Batteriemodul 10, dem DC/DC-Umsetzer 12, dem Wechselrichter 15 und dem Motorschütz 1 verbunden ist und deren Betriebsweise steuert. Der Anschluss 16 weist einen Decoder für ein auf die Wechselspannung der externen Wechselspannungsquelle moduliertes Steuersignal auf und ist mit der Batteriemanagementeinheit 1 1 verbunden. Die Batteriemanagementeinheit 1 1 kann über das Steuersignal ihrerseits wiederum von extern gesteuert werden.
Abhängig von der Richtung des Energieflusses wird entweder der über die Ladestation eingespeiste Wechselstrom gleichgerichtet und lädt über den DC/DC- Umsetzer 12 die Antriebsbatterie (Batteriemodul 10 und die Batteriemanagementeinheit 1 1 ), oder der aus der Antriebsbatterie entnommene Gleichstrom wird über den Wechselrichter 15 umgerichtet und ins Energieversorgungsnetz zurückgespeist.
Das Lademanagement erfolgt dabei vorteilhafterweise über die Batteriemanagementeinheit 1 1 , in welche die hierfür erforderlichen Algorithmen integriert sein können. Somit wird das nach dem Stand der Technik benötigte Batterieladegerät durch eine Kombination von DC/DC-Umsetzer 12 und Batteriemanagementeinheit 1 1 ersetzt.

Claims

Ansprüche
1 . Anordnung zur Steuerung von Energiefluss, umfassend einen elektrischen Antriebsmotor (18) zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges, einen mit dem Antriebsmotor (18) verbundenen Wechselrichter (15), einen mit dem Wechselrichter (15) verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und eine mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Antriebsbatterie, gekennzeichnet durch ein Motorschütz (1 ), welches ausgebildet ist, den Antriebsmotor (18) vom Wechselrichter (15) auf ein Steuersignal hin abzutrennen, und einen zwischen Wechselrichter (15) und Motorschütz (1 ) angeordneten Anschluss (16) für eine externe Wechselspannungsquelle.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , bei dem der Wechselrichter (15) ausgebildet ist, eine von der externen Wechselspannungsquelle bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung umzusetzen und an den Gleichspannungszwischenkreis auszugeben.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem im Gleichspannungszwischenkreis angeordneten Anschluss (14) für eine externe Gleichspannungsquelle.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Antriebsbatterie ein Batteriemodul (10) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einen DC/DC-Umsetzer (12) aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Batteriespannung des Batteriemoduls (10) in eine vorbestimmte Gleichspannung umzusetzen und an den Gleichspannungszwischenkreis auszugeben und eine Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Aufladespannung umzusetzen und an das Batteriemodul (10) auszugeben und so das Batteriemodul (10) aufzuladen.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Batteriemanagementeinheit (1 1 ) und einem im Anschluss (16) für die externe Wechselspannungsquelle angeordneten Decoder, wobei die Batteriemanagementeinheit (1 1 ) ausgebildet ist, einen Ladezustand der Antriebsbatterie zu bestimmen und Steuersignale für das Motorschütz (1 ) und den Wechselrichter (15) zu erzeugen, und wobei der Decoder ausgebildet ist, ein von der externen Wechselspannungsquelle auf eine externe Versorgungsspannung aufmoduliertes externes Steuersignal zu empfangen und decodieren und das decodierte externe Steuersignal an die Batteriemanagementeinheit (1 1 ) weiterzugeben.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Batteriemanagementeinheit (1 1 ) ausgebildet ist, Steuersignale für den DC/DC-Umsetzer (12) zu erzeugen, wobei die Erzeugung der Steuersignale für den DC/DC- Umsetzer (12), das Motorschütz (1 ) und den Wechselrichter (15) abhängig von dem externen Steuersignal ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem in den Gleichspannungszwischenkreis geschalteten Pufferkondensator (13), welcher ausgebildet ist, die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises zu stabilisieren.
8. Kraftfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit den Schritten:
- Anschließen einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Kraftfahrzeuges nach Anspruch 8 an das elektrische Energieversorgungsnetz;
— Speichern von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz in der Antriebsbatterie der Anordnung oder des Kraftfahrzeuges während einer Zeitperiode geringer Netzbelastung; und
— Abgeben der gespeicherten elektrischen Energie an das Energieversorgungsnetz in einer Zeitperiode hoher Netzbelastung.
10. Verfahren von Anspruch 9, bei dem das Kraftfahrzeug ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, rückbezogen auf Anspruch 6 oder Anspruch 7, rückbezogen auf Anspruch 6, ist und die Zeitperiode geringer Netzbelastung und die Zeitperiode hoher Netzbelastung durch ein Steuersignal aus dem Energieversorgungsnetz der Batteriemanagementeinheit (1 1 ) angezeigt werden.
PCT/EP2011/050033 2010-02-09 2011-01-03 Vollständige integration von energiespeichern und leistungselektronik in elektro- und hybridfahrzeugen im umfeld ladestation/energienetz Ceased WO2011098307A2 (de)

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