WO2012072372A2

WO2012072372A2 - Vorrichtung zur verwendung in einem elektrischen antriebssystem und verfahren zum betrieb einer solchen

Info

Publication number: WO2012072372A2
Application number: PCT/EP2011/069510
Authority: WO
Inventors: Markus Eisele; Yvonne Wiegand; Stefan Heimpel; Maximilian Wagner
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2012-06-07
Also published as: US20130234508A1; EP2647100A2; CN103250322A; JP2014506105A; WO2012072372A3; DE102010062249A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Verwendung in einem elektrischen Antriebssystem (2), insbesondere in einem hybridisierten Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, aufweisend mindestens ein erstes (5a) und ein zweites (5b) in einer Parallelschaltung angeordnetes Batteriesystem (5a, 5b, 5c,...), deren Lastausgänge (9) zu einem gemeinsamen Lastausgang (11) zusammengeführt sind, wobei jedes Batteriesystem (5a, 5b, 5c,...) einen Energiespeicher (6) und eine damit gekoppelte Vorladeschaltung (14) aufweist, wobei mittels eines Ausgangs (14a) der Vorladeschaltung (14) jeweils der Lastausgang (9) des Batteriesystems (5a, 5b, 5c,...) gebildet ist, wobei der Lastausgang (9) eines jeden Batteriesystems (5a, 5b, 5c,...) mittels der Vorladeschaltung (14) jeweils am gemeinsamen Lastausgang (11) zu und abschaltbar ist, wobei der gemeinsame Lastausgang (11) energetisch unmittelbar mit einem Wechselrichtereingang (12) eines Wechselrichters (3) der Vorrichtung (1) verkoppelt ist, insbesondere mittels eines Zwischenkreiskondensators (13). Vorgeschlagen wird auch ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (1).

Description

Vorrichtung zur Verwendunq in einem elektrischen Antriebssystem und Verfahren zum Betrieb einer solchen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren hierzu gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.

In Zukunft wird es, insbesondere in Innenstädten, immer häufiger sog.

„Zero Emission Zones" geben. Dies sind Bereiche, in denen nur solche Fahrzeuge fahren dürfen, welche emissionsfrei fahren. Beispielsweise müssen Busse und Liefer-LKW in diesen Zonen z.B. rein elektrisch betrieben werden.

Bei Fahrzeugen mit parallelem Hybridantrieb gibt es als Antriebsart neben dem sog. Hybridfahren, bei welchem das Verbrennungs- als auch das Elektro- aggregat das Fahrzeug antreiben, u.a. die Möglichkeit, das Fahrzeug ausschließlich mit der Elektromaschine bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor und somit emissionsfrei zu betreiben. Um über eine ausreichende Distanz rein elektrisch fahren zu können, muss ausreichend elektrische Energie in einem oder mehreren Energiespeichern zur Verfügung stehen.

Des Weiteren sind sog. Plugln-Hybrid-Fahrzeuge bekannt, deren Batterie nicht nur durch Rekuperation von Bremsenergie, i.e. durch Nutzbremsung, oder durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch über das Stromnetz mittels einer externen Ladestation geladen werden kann. Plugln-Hybrid- Fahrzeuge verbinden die Vorteile von Elektrofahrzeugen und reinen verbrennungsmotorischen Fahrzeugen. Zum einen kann im Stadtverkehr, z.B. in Umweltzonen, rein elektrisch und somit emissions- und geräuschfrei gefahren und zum anderen können mittels des Verbrennungsmotors längere Distanzen zurückgelegt werden, auch wenn die Batterie einen niedrigen Ladezustand aufweist.

Bislang gibt es, z.T. den hohen Entwicklungskosten geschuldet, keine geeigneten Batterien für das Zurücklegen größerer Distanzen im reinen E-Betrieb. Diese müssten einen hohen Energieinhalt zur Verfügung stellen und zusätzlich ein hohes Leistungsvermögen haben, um die erforderliche Fahrdynamik im rein elektrischen Betrieb zu gewährleisten.

Die derzeit verfügbaren Batterien für Hybridfahrzeuge sind dagegen darauf ausgelegt, Rekuperationsenergie aufzunehmen und wieder abzugeben, d.h. ihre Lebenserwartung sinkt bei großen Energiehüben, wie sie für rein elektrisches Fahren benötigt werden, drastisch. Da diese Batterien sehr teuer sind, eignen sie sich einzeln also nicht, um dauerhaft für rein elektrisches Fahren eingesetzt zu werden.

Im Stand der Technik wurde daher vorgeschlagen, mehrere Batterien über eine Leistungselektronik parallel zusammenzuschalten, um den Energieinhalt und das Leistungsvermögen zu steigern. Eine solche Vorgehensweise ist z.B. in der Druckschrift DE 10 2007 009 009 A1 ausführlich beschrieben. Der wesentliche Nachteil einer Parallelschaltung liegt jedoch in der Steuerung der Batterien. Unterschiedliche Innenwiderstände, welche fertigungsbedingt oder durch Temperaturunterschiede hervorgerufen werden, führen zu Asymmetrien unter den Batterien im Betrieb. Dies hat die Auswirkung, dass die elektrische Reichweite und das Leistungsvermögen stark eingeschränkt werden. Zur Steuerung und somit zur Vermeidung von Asymmetrien parallel geschalteter Batterien ist eine Zwischenkreiselektronik notwendig, welche sehr aufwändig und zudem groß und schwer gestaltet sein muss, um die hohen Ströme zu schalten, welche bei dieser Konstellation fließen.

Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, vorstehende Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Verwendung mit einem elektrischen Antriebssystem vorzuschlagen, welche(s) mit geringem Aufwand den Betrieb parallel geschalteter Batterien bzw. Batteriesysteme ohne eine Zwischenkreiselektronik an einem Wechselrichter ermöglicht. Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Verwendung in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in einem hybridisierten Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, aufweisend mindestens ein erstes und ein zweites in einer Parallelschaltung angeordnetes Batteriesystem, deren Lastausgänge zu einem gemeinsamen Lastausgang zusammengeführt sind, wobei jedes Batteriesystem einen Energiespeicher und eine damit gekoppelte Vorladeschaltung aufweist, wobei mittels eines Ausgangs der Vorladeschaltung jeweils der Lastausgang des Batteriesystems gebildet ist, wobei der Lastausgang eines jeden Batteriesystems mittels der Vorladeschaltung jeweils am gemeinsamen Lastausgang zu und abschaltbar ist, wobei der gemeinsame Lastausgang energetisch unmittelbar mit einem Wechselrichtereingang eines Wechselrichters der Vorrichtung verkoppelt ist, insbesondere mittels eines Zwischen- kreiskondensators.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Lastausgang eines jeden Batteriesystems jeweils mittels eines Batteriemanagementsystems des Batteriesystems zu- oder abschaltbar, wobei das Batteriemanagementsystem insbesondere die Vorladeschaltung und/oder ein Schütz ansteuert.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkt das Batteriemanagementsystem mit einem Steuergerät der Vorrichtung, insbesondere einem Hybridsteuergerät zusammen.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, die Lastausgänge des mindestens ersten und/oder zweiten Batteriesystems wechselweise an den gemeinsamen Lastausgang zu schalten. Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere in einem elektrischen Antriebssystem, und weiterhin in einem hybridisierten Antriebssystem, wobei in einem ersten Schritt ein erstes der Batteriesysteme, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands dessen Energiespeichers, vom gemeinsamen Lastausgang mittels dessen Vorladevorrichtung abgeschaltet wird, wobei in einem zweiten Schritt ein zweites der Batteriesysteme am gemeinsamen Lastausgang mittels dessen Vorladevorrichtung zugeschaltet wird, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands dessen Energiespeichers.

Vorgeschlagen wird weiterhin ein Verfahren, wobei das Abschalten des ersten der Batteriesysteme vom gemeinsamen Lastausgang und/oder das Zuschalten des zweiten bzw. weiteren der Batteriesysteme an den gemeinsamen Lastausgang während des Betriebs des Wechselrichters, insbesondere zu Antriebszwecken, erfolgt.

Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist stets jeweils genau eines von mehreren Batteriesystemen bei Betrieb des Wechselrichters am gemeinsamen Lastausgang zugeschaltet, insbesondere vor dem ersten und nach dem zweiten Schritt.

Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zuschaltung des Batteriesystems im zweiten Schritt unter Anhebung einer Wechselrichtereingangsspannung mittels der Vorladevorrichtung des zugeschalteten Batteriesystems.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem zweiten Schritt ein Batteriesystem zugeschaltet, dessen Energiespeicher ein höheres Ladeniveau aufweist als der im ersten Schritt abgeschaltete Energiespeicher.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren, wobei zumindest für die Dauer des ersten und zweiten Schritts ein drittes der Batteriesyste- me dem gemeinsamen Lastausgang parallel zugeschaltet wird, insbesondere zur Stabilisierung einer Wechselrichtereingangsspannung, wobei das dritte der Batteriesysteme insbesondere mittels einer Vorladevorrichtung desselben zu- und abgeschaltet wird.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, wobei bei Energierückspeisung seitens des Wechselrichters in den gemeinsamen Lastausgang zum Zwecke eines Ladens eines Energiespeichers in dem ersten Schritt ein Batteriesystem vom gemeinsamen Lastausgang abgeschaltet wird, dessen Energiespeicher einen ersten, insbesondere hohen, Ladezustand aufweist, und in dem zweiten Schritt ein Batteriesystem am gemeinsamen Lastausgang zugeschaltet wird, dessen Energiespeicher einen gegenüber dem E- nergiespeicher des abgeschalteten Batteriesystems niedrigeren Ladezustand aufweist.

Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das im zweiten Schritt zugeschaltete Batteriesystem in Abhängigkeit des Ladezustands seines Energiespeichers aus einer Mehrzahl von Batteriesystemen zur Zuschal- tung an den gemeinsamen Lastausgang ausgewählt.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Plugln-Hybrid-Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 exemplarisch ein Batteriesystem zur Bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 exemplarisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 2 zeigt exemplarisch und schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Verwendung in einem elektrischen Antriebssystem 2, insbesondere eines hybridisierten Kraftfahrzeugs und weiterhin insbesondere eines Plugln-Hybrid-Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung 1 weist einen Wechselrichter 3 auf, insbesondere einen Spannungswechselrichter, welcher zur Verbindung mit einem elektrischen Antriebsaggregat 4 des Antriebssystems 2 vorgesehen ist, z.B. einer Drehfeldmaschine. Zum Antrieb des Aggregats 4 wird der Wechselrichter 3 beispielsweise mit Pulsweitenmodulation (Puls Width Modulation, PWM) betrieben. Dazu weist der Wechselrichter 3 neben Leistungsschaltern, die aus Leistungshalbleiterbauelementen zusammengesetzt sind, z.B. ein Steuergerät für die Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungsschalter auf.

Die Vorrichtung 1 weist erfindungsgemäß weiterhin eine Mehrzahl von insbesondere gleichartigen Batteriesystemen 5a, 5b, 5c,... , zumindest ein erstes 5a und ein zweites 5b Batteriesystem auf, welche jeweils einen Energiespeicher 6 umfassen bzw. aufweisen, z.B. Fig. 1 . Der Energiespeicher 6 eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... kann jeweils mittels mehrerer Teil-Energiespeicher 6a, 6b, 6c,... oder als einzelner Energiespeicher 6 gebildet sein. Der Energiespeicher 6 bzw. ein Teil-Energiespeicher 6a, 6b, 6c,... ist in Form einer Batteriezelle gebildet, alternativ z.B. in Form einer Brennstoffzelle oder eines Super-Caps. Mehrere Teil-Energiespeicher 6a, 6b, 6c,... können zur Bildung des Energiespeichers 6 z.B. parallel oder wie dargestellt in Reihe geschaltet sein. Erfindungsgemäß ist ein Batteriesystem 5a, 5b, 5c,... insbesondere jeweils mittels eines Energiespeichers 6 in Form eines Akkumulators, insbesondere in Form einer Traktionsbatterie, gebildet. An einem Ausgang 7 des Energiespeichers 6 steht die gespeicherte Energie zur Verfügung, i.e. zwischen den elektrischen Anschlüssen, wobei das Batteriesystem 5a, 5b, 5c,... insbesondere jeweils eine Gleichspannung zur Verfügung stellt.

Ein Batteriesystem 5a, 5b, 5c,... weist z.B. ein Gehäuse 8 auf, in welchem dessen Komponenten gegen Umgebungseinflüsse geschützt bzw. isoliert aufgenommen sind, sowie weiterhin jeweils einen elektrischen Ausgang, i.e. einen Lastausgang 9, über welchen die Energie des Energiespeichers 6 abgegeben werden kann, i.e. einen lastseitigen Ausgang. Der Lastausgang 9 ist jeweils insbesondere mittels zweier Anschlussklemmen 10 eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... gebildet, welche z.B. aus dem Gehäuse 8 herausgeführt sein können.

Gemäß Fig. 2 ist erfindungsgemäß vorgesehen, wenigstens ein erstes 5a und ein zweites 5b Batteriesystem zur Bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung parallel zu schalten, insbesondere mehr als zwei Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., wobei die Lastausgänge 9 der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,... zu einem gemeinsamen Lastausgang 1 1 zusammengeführt sind, i.e. elektrisch. Der so gebildete gemeinsame Lastausgang 1 1 ist erfindungsgemäß energetisch direkt bzw. unmittelbar mit dem Wechselrichtereingang 12 des Wechselrichters 3 der Vorrichtung verkoppelt, d.h. ohne zwischen den gemeinsamen Lastausgang 1 1 und den Wechselrichter 3 geschaltete Leistungselektronik.

Dem Eingang 12 des Wechselrichters 3 ist hierbei insbesondere ein Zwi- schenkreiskondensator 13 zur energetischen Verkopplung vorgeschaltet, insbesondere in Form wenigstens eines Zwischenkreiskondensators 13. Das Ver- kopplungselement bzw. der Zwischenkreiskondensator 13 ist insbesondere dazu vorgesehen, mittels des gemeinsamen Lastausgangs 1 1 zugeführte Energie zu speichern bzw. zwischen zu speichern, um diese dem Wechselrichter 3 zum Antrieb eines elektrischen Antriebsaggregat 4 bedarfsgerecht zur Verfügung zu stellen, z.B. mit einem vorgesehenen Spannungsniveau. Das Verkopplungs- element 13 ist insbesondere zwischen die Eingangsklemmen 3a des Wechselrichters 3 geschaltet.

Weiterhin weist jedes Batteriesystem 5a, 5b, 5c,... erfindungsgemäß eine Vorladeschaltung 14 auf, welche insbesondere integraler Bestandteil des jeweiligen Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... sein kann oder diesem jeweils zugeordnet. Die Vorladeschaltung 14 ist dazu vorgesehen, den hohen Ladestrom zu begrenzen, welchen das am gemeinsamen Lastausgang 1 1 angeordnete Ver- kopplungs- bzw. Energiespeicherelement 13 bewirken kann. Mittels jeweils einer Vorladeschaltung 14 kann die Wechselrichtereingangsspannung gezielt auf das Spannungsniveau eines mit dem gemeinsamen Lastausgang 1 1 elektrisch zu verbindenden Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... angehoben werden, ohne dass ein Defekt auftritt.

Erfindungsgemäß ist eine Vorladeschaltung 14 jeweils mit dem Energiespeicher 6 eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... gekoppelt, i.e. elektrisch, wobei mittels eines Ausgangs 14a der Vorladeschaltung 14 jeweils der Lastausgang 9 eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... gebildet ist. Die Vorladeschaltung 14 weist auf an sich bekannte Weise ein Vorlade- 15 und ein Hauptschütz 16 sowie einen Vorladewiderstand 17 auf, wobei mittels der Schütze 15, 16 der Lastausgang 9 eines jeden Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... jeweils am gemeinsamen Lastausgang 1 1 zu und abschaltbar ist, i.e. durch Öffnen der Schütze 15, 16 und Schließen z.B. eines Schützes 15 bzw. 1 6. Die Anordnung eines weiteren Schützes im Batteriesystem 5a, 5b, 5c,... kann daneben vorgesehen sein, z.B. Fig. 1 .

Mittels der Vorladeschaltung 14 ist der jeweilige Lastausgang 9 eines jeden Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... somit auf einfache Weise an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 zu- oder abschaltbar. Zur Ansteuerung der jeweiligen Vorladeschaltung 14 eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... ist erfindungsgemäß jeweils ein Batteriemanagementsystem 18 bzw. ein Batteriesteuergerät eines jeweiligen Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... vorgesehen, welches z.B. integral mit diesem gebildet ist. Ein Batteriemanagementsystem 18 steuert zur Zuschaltung eines Lastausgangs 9 an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 bzw. zur Abschaltung von dem gemeinsamen Lastausgang 1 1 insbesondere jeweils wenigstens ein Schütz 15, 16 der jeweiligen Vorladeschaltung 14 an, wobei zur Zuschal- tung insbesondere zunächst das Vorladeschütz 15 geschlossen und das Hauptschütz 16 überbrückt sein kann, i.e. eine Zuschaltung eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c, ... an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 nach Vorladung erfolgt.

Zur gezielten Zu- und Abschaltung von Batteriesystemen 5a, 5b, 5c,... an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Batteriemanagementsystem 18 jeweils mit einem Steuergerät 19 der Vorrichtung 1 , insbesondere einem Hybridsteuergerät zusammenwirkt. Mittels des Steuergeräts 19 werden dem Batteriemanagementsystem 18 Schaltsignale zum Öffnen- und Schließen der Schütze 15, 16 übermittelt, so dass ein Zu- und Abschalten des jeweiligen Lastausgangs 9 auf einfache Weise ermöglicht ist. Die Signale des Steuergeräts 19 werden z.B. über einen Bus 20 an die jeweiligen Batteriemanagementsysteme 18 übermittelt. Insbesondere können mit der derart ausgebildeten Vorrichtung 1 die Lastausgänge 9 verschiedener Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,... wechselweise an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 bzw. den Wechselrichter 3 geschaltet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung 1 , insbesondere in dem elektrischen Antriebssystem 2, wird in einem ersten Schritt ein erstes der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. das Batteriesystem 5a, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands dessen Energiespeichers 6, vom gemeinsamen Lastausgang 1 1 mittels dessen Vorladevorrichtung 14 abgeschaltet. Bei Betrieb des Wechselrichters 3 zu Antriebszwecken, d.h. zur Speisung eines lastseitigen Aggregats 4, ist ein solches, abzuschaltendes Batteriesystem 5a insbesondere eines, dessen Ladezustand niedrig und z.B. unter eine vorbestimmte Schwelle abgesunken ist. Der Ladezustand wird z.B. vom Batteriemanagementsystem 18 des Batteriesystems 5a überwacht und z.B. über den Bus 20 an die Steuerung 19 übermittelt. In einem zweiten Schritt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zweites der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. das Batteriesystem 5b, am gemeinsamen Lastausgang 1 1 mittels dessen Vorladevorrichtung 14 zugeschaltet, insbesondere wiederum in Abhängigkeit des Ladezustands dessen Energiespeichers 6. Bei Betrieb des Wechselrichters 3 zu insbesondere Antriebszwecken wird hierbei, insbesondere basierend auf den mittels der jeweiligen Batteriemanagementsysteme 18 überwachten und an die Steuerung 19 übermittelten Ladezustände der weiteren Energiespeicher 6 der weiteren Batteriesysteme 5a, 5c, 5d,... von dem Steuergerät 19 ein Batteriesystem 5b ausgewählt, dessen Energiespeicher 6 einen hohen, insbesondere den im Vergleich zu den weiteren Batteriesystemen 5a, 5c, 5d,... höchsten Ladezustand aufweist.

Das ausgewählte Batteriesystem 5a, 5b, 5c,..., z.B. das Batteriesystem 5b, wird mittels seines Lastausgangs 9 an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 geschaltet, wobei insbesondere die Zuschaltung unter Ausnutzung der Vorlademöglichkeit mittels des Vorladeschützes 15 und des Vorladewiderstands 17 vorgesehen ist, d.h. die Zuschaltung des weiteren Batteriesystems 5b erfolgt im zweiten Schritt unter Anhebung einer Wechselrichtereingangsspannung mittels der Vorladevorrichtung 14 des zuzuschaltenden Batteriesystems, z.B. 5b.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit eine leere Batterie bzw. ein Energiespeicher 6 auf einfache Weise elektrisch vom Wechselrichter 3 getrennt werden und eine neue Batterie bzw. ein Energiespeicher 6 auf einfache Weise zum weiteren Antrieb des Elektroaggregats 4 zugeschaltet werden.

Erfindungsgemäß ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass jeweils stets genau eines von mehreren Batteriesystemen 5a, 5b, 5c,... bei Betrieb des Wechselrichters 3 am gemeinsamen Lastausgang 1 1 zugeschaltet ist, insbesondere vor dem ersten Schritt, d.h. vor Abschalten des ersten Batteriesystems 5a und nach dem zweiten Schritt, d.h. nach Zuschalten des zweiten bzw. weiteren Batteriesystems 5b, 5c,.... Somit beeinflussen unterschiedliche Ladezustände verschiedener Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,... den Batterieverbund nicht, eine Leistungselektronik neben dem Wechselrichter 3 ist entbehrlich. Ein elektrisches Antriebssystem 2 bzw. der Wechselrichter 3 wird hierbei erfindungsgemäß stets aus genau einem zugeschalteten Energiespeicher 6 gespeist.

Erfindungsgemäß ist ein Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten Batteriesystem 5a, 5b, 5c,... während des Betriebs des Wechselrichters 3 vorgesehen, vorzugsweise in einer Situation, in welcher kein oder lediglich wenig Moment durch das elektrische Aggregat 4 benötigt wird. Das deshalb, da während des Umschaltens nicht verlässlich Moment lieferbar ist. Ein Abschalten eines Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... und ein Zuschalten eines weiteren Batteriesystems 5a, 5b, 5c,... erfolgt z.B. während des Hybridfahrens, während eines Lastwechsels, während eines Schaltvorgangs, in einer Stillstandsphase, bei geringer Drehmomentanforderung an die E-Maschine bzw. das Aggregat 4.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bei Betrieb des Wechselrichters 3 zu Antriebszwecken, ist vorgesehen, dass vor dem Abschalten eines ersten der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. 5a, im ersten Schritt ein zusätzliches bzw. ein drittes der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. 5c, dem gemeinsamen Lastausgang 1 1 parallel zugeschaltet wird, wobei das dritte Batteriesystem 5c während oder nach Zuschaltung eines zweiten der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. 5b, an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 abgeschaltet wird, wobei das dritte Batteriesystem 5c insbesondere mittels einer Vorladevorrichtung 14 desselben zu- und abgeschaltet wird. Zumindest für die Dauer des ersten und zweiten Schritts ist hierbei das dritte Batteriesystem 5c dem gemeinsamen Lastausgang 1 1 zugeschaltet.

Die Einbindung eines dritten der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., welches insbesondere einen Energiespeicher 6 in Form einer speziellen Vorladungsbatterie aufweist, in die Parallelschaltung bzw. den Batterieverbund, ist dazu vorgesehen, bei einem Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten Batteriesystem, i.e. einem Abschalten eines ersten und einem Anschalten eines zweiten an jeweils den gemeinsamen Lastausgang 1 1 , dazwischen geschaltet zu werden und den mittels des Zwischenkreiskondensators 13 gebildeten Zwischenkreis zu stabilisieren. Somit ist der Leistungseinbruch am Wechselrichter 3 beim Umschaltvorgang wesentlich geringer. Das dritte Vorladungsbatteriesystem, z.B. 5c, weist z.B. einen Energiespeicher 6 eines geringeren Energieinhalts im Vergleich zu weiteren Energiespeichern 6 der weiteren Batteriesysteme 5a, 5b, 5d, ... auf, aber einen insbesondere größeren Vorladewiderstand 17.

Bei Energierückspeisung seitens des Wechselrichters 3 in den gemeinsamen Lastausgang 1 1 bzw. bei Rekuperation ist zum Zwecke des Ladens eines Energiespeichers 6 in dem ersten Schritt vorgesehen, ein erstes der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. 5a, vom gemeinsamen Lastausgang 1 1 abzuschalten, dessen Energiespeicher 6 einen im Vergleich zu den Ladezuständen weiterer Energiespeicher 6 weiterer Batteriesysteme 5b, 5c, 5d,... hohen Ladezustand aufweist. Das abgeschaltete Batteriesystem 5a ist z.B. zuvor - zum Beispiel zu Antriebszwecken - aufgrund seines hohen Energiespeicher- Ladezustands an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 angeschaltet worden.

In dem zweiten Schritt wird bei Energierückspeisung ein zweites bzw. weiteres der Batteriesysteme 5a, 5b, 5c,..., z.B. 5b, am gemeinsamen Lastausgang 1 1 zugeschaltet, dessen Energiespeicher 6 einen gegenüber dem Energiespeicher 6 des abgeschalteten Batteriesystems 5a niedrigeren Ladezustand aufweist. Das zuzuschaltende Batteriesystem 5a wird insbesondere jeweils wiederum von der Steuerung 19 in Verbindung mit dem Batteriemanagementsystem 18 ausgewählt, i.e. in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers 6, und insbesondere mittels seiner Vorladeschaltung 14 zugeschaltet. Das ausgewählte Batteriesystem 5b ist insbesondere jenes, dessen Energiespeicher 6 den im Vergleich zu Weiteren niedrigsten Ladezustand aufweist.

Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Energiespeicher 6 der jeweiligen Batteriesysteme 5a, 5b, 5c, ... sequentiell zu laden bzw. zu- und abzuschalten, d.h. beginnend mit demjenigen, welcher den geringsten Ladezustand aufweist - insbesondere um einer Tiefentladung vorzubeugen - und endend mit demjenigen, welcher den höchsten Ladezustand aufweist. Auch hierbei ist wie- derum vorgesehen, vor jedem Abschalten und nach jedem Zuschalten jeweils genau einen Energiespeicher 6 an den gemeinsamen Lastausgang 1 1 zu schalten.

Ein Laden der Energiespeicher 6 erfolgt dann - sollte die rekuperierte Energie nicht ausreichen - z.B. während der Hybridfahrt durch Lastpunktverschiebung. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Plugln-Hybrid-Fahrzeug kann das Laden der Energiespeicher 6, insbesondere von Batteriezellen, auch am Stromnetz erfolgen, ebenso sequentiell wie vorstehend beschrieben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Buslast auf dem Bus 20, insbesondere einem CAN-Bus, trotz der Vielzahl teilnehmender Batteriesysteme 5a, 5b, 5c, ... gering zu halten. Dazu werden die Energiespeicher 6, die nicht benötigt und physikalisch vom gemeinsamen Lastausgang 1 1 getrennt sind, in einem Schlafzustand betrieben. In diesem Schlafzustand sendet das jeweilige Batteriesystem 5a, 5b, 5c, ... auf einer ihr zugewiesenen ID nur einen begrenzten Informationsvorrat, z.B. ihren aktuellen Ladezustand (SOC) und ggf. Statusinformationen wie Spannung, Temperatur, State of Health. Die„schlafenden" Energiespeicher 6 bzw. Batterien müssen zum Zuschalten on demand auf den üblichen Betriebsumfang wechseln, d.h. sie müssen im Schlafmodus permanent auf ein Aufwachsignal auf dem Bus 20 lauschen.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, den ersten Schritt und den zweiten Schritt mehrfach hintereinander auszuführen, wobei sich der erste und der zweite Schritt jeweils abwechseln. Hierbei ist nach jedem Umschalten stets genau ein Energiespeicher 6 dem gemeinsamen Lastausgang 1 1 zugeschaltet. Bedarfsgerecht kann jeweils der geeignete Energiespeicher 6 mit dem Wechselrichter 3 verbunden werden. Bezuqszeichen

Vorrichtung

elektrisches Antriebssystem Wechselrichter

Eingangsklemmen Wechselrichter elektrisches Antriebsaggregat

Batteriesystem

Energiespeicher

Teil-Energiespeicher

Ausgang Energiespeicher

Gehäuse

Lastausgang Batteriesystem

Anschlussklemmen Batteriesystem gemeinsamer Lastausgang

Eingang Wechselrichter

Zwischenkreiskondensator

Vorladeschaltung

Ausgang Vorladeschaltung

Vorladeschütz

Hauptschütz

Vorladewiderstand

Batte ri em an age m e ntsyste m

Steuergerät

Bus

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung (1 ) zur Verwendung in einem elektrischen Antriebssystem (2), insbesondere in einem hybridisierten Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, aufweisend mindestens ein erstes (5a) und ein zweites (5b) in einer Parallelschaltung angeordnetes Batteriesystem (5a, 5b, 5c, ...), deren Lastausgänge (9) zu einem gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) zusammengeführt sind, wobei jedes Batteriesystem (5a, 5b, 5c, ...) einen Energiespeicher (6) und eine damit gekoppelte Vorladeschaltung (14) aufweist, wobei mittels eines Ausgangs (14a) der Vorladeschaltung (14) jeweils der Lastausgang (9) des Batteriesystems (5a, 5b, 5c, ...) gebildet ist, wobei der Lastausgang (9) eines jeden Batteriesystems (5a, 5b, 5c, ...) mittels der Vorladeschaltung (14) jeweils am gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) zu und abschaltbar ist, wobei der gemeinsame Lastausgang (1 1 ) energetisch unmittelbar mit einem Wechselrichtereingang (12) eines Wechselrichters (3) der Vorrichtung (1 ) verkoppelt ist, insbesondere mittels eines Zwischenkreiskondensators (13).

2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lastausgang (9) eines jeden Batteriesystems (5a, 5b, 5c, ...) jeweils mittels eines Batteriemanagementsystems (18) des Batteriesystems (5a, 5b, 5c,...) zu- oder abschaltbar ist, wobei das Batteriemanagementsystem (18) insbesondere die Vorladeschaltung (14) und/oder ein Schütz (15, 16) ansteuert.

3. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (18) mit einem Steuergerät (19) der Vorrichtung (1 ), insbesondere einem Hybridsteuergerät zusammenwirkt.

4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) dazu ausgebildet ist, die Lastausgänge (9) des mindestens ersten (5a) und/oder zweiten (5b) Batteriesystems wechselweise an den gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) zu schalten.

5. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere in einem elektrischen Antriebssystem (2), wobei in einem ersten Schritt ein erstes der Batteriesysteme (5a, 5b, 5c,...), insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands dessen Energiespeichers (6), vom gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) mittels dessen Vorladevorrichtung (14) abgeschaltet wird, wobei in einem zweiten Schritt ein zweites der Batteriesysteme (5a, 5b, 5c,...) am gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) mittels dessen Vorladevorrichtung (14) zugeschaltet wird, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands dessen Energiespeichers (6).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschalten des ersten der Batteriesysteme (5a, 5b, 5c,...) und/oder das Zuschalten des zweiten der Batteriesysteme (5a, 5b, 5c,...) während des Betriebs des Wechselrichters (3) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass stets jeweils genau eines von mehreren Batteriesystemen (5a, 5b, 5c, ...) bei Betrieb des Wechselrichters (3) am gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) zugeschaltet ist, insbesondere vor dem ersten und nach dem zweiten Schritt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung des Batteriesystems (5a, 5b, 5c,...) im zweiten Schritt unter Anhebung einer Wechselrichtereingangsspannung mittels der Vorladevorrichtung (14) des zugeschalteten Batteriesystems (5a, 5b, 5c,...) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt ein Batteriesystem (5b) zugeschaltet wird, dessen Energiespeicher (6) ein höheres Ladeniveau aufweist als der im ersten Schritt abgeschaltete Energiespeicher (6).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für die Dauer des ersten und des zweiten Schritts ein drittes der Batteriesysteme (5a, 5b, 5c,...) dem gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) parallel zugeschaltet wird, insbesondere zur Stabilisierung der Wechselrichtereingangsspannung, wobei das dritte der Batteriesysteme (5a, 5b, 5c,...) insbesondere mittels einer Vorladevorrichtung (14) desselben zu- und abgeschaltet wird.

1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energierückspeisung seitens des Wechselrichters (3) in den gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) zum Zwecke eines Ladens eines Energiespeichers (6) in dem ersten Schritt ein Batteriesystem (5a, 5b, 5c,...) vom gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) abgeschaltet wird, dessen Energiespeicher (6) einen ersten Ladezustand aufweist, und in dem zweiten Schritt ein Batteriesystem (5a, 5b, 5c,...) am gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) zugeschaltet wird, dessen Energiespeicher (6) einen gegenüber dem Energiespeicher (6) des abgeschalteten Batteriesystems (5a, 5b, 5c,...) niedrigeren Ladezustand aufweist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das im zweiten Schritt zugeschaltete Batteriesystem (5a, 5b, 5c,...) in Abhängigkeit des Ladezustands seines Energiespeichers (6) aus einer Mehrzahl von Batteriesystemen (5a, 5c, 5d, ...) zur Zuschaltung an den gemeinsamen Lastausgang (1 1 ) ausgewählt wird.

13. Kraftfahrzeug, insbesondere ein Plugln-Hybrid-Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.