WO2022128252A1 - Energiemanagementsystem für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug, verfahren - Google Patents

Energiemanagementsystem für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug, verfahren Download PDF

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WO2022128252A1
WO2022128252A1 PCT/EP2021/080810 EP2021080810W WO2022128252A1 WO 2022128252 A1 WO2022128252 A1 WO 2022128252A1 EP 2021080810 W EP2021080810 W EP 2021080810W WO 2022128252 A1 WO2022128252 A1 WO 2022128252A1
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WO
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voltage
converter
management system
energy store
energy management
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PCT/EP2021/080810
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Inventor
Julian Veitengruber
Jan Riedel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to an energy management system for a motor vehicle, with a connection device having at least one first outer conductor, with a first electrical energy store, with a second electrical energy store, with a DC-DC converter device having at least one first DC-DC converter, and with a DC-DC converter device having at least one first DC-DC converter, wherein the first energy store is electrically connected to the first outer conductor through the first DC/DC converter, and the second energy store is electrically connected to the first outer conductor through the first DC/DC converter.
  • the invention also relates to a motor vehicle with such an energy management system.
  • the invention relates to a method for operating such an energy management system.
  • the invention relates to a method for supplying electrical energy to such an energy management system.
  • Motor vehicles such as electric vehicles or plug-in hybrid vehicles generally have at least a first electrical energy store and a second electrical energy store.
  • the nominal voltage of the two energy stores preferably differs in this case.
  • the rated voltage of the first energy store is greater than the rated voltage of the second energy store.
  • the rated voltage of the first energy store is also referred to below as the first battery voltage and the rated voltage of the second energy store is also referred to as the second battery voltage.
  • electric vehicles and plug-in hybrid vehicles usually have a connection device with at least one first outer conductor.
  • the vehicles can be electrically connected to a vehicle-external electrical supply network by means of the connection device.
  • the connection device is preferably designed as a plug receptacle or as a plug device.
  • the first energy store For the electrical connection of the first energy store to the first outer conductor, there is usually a DC-DC converter device with at least one first DC-DC converter.
  • the first energy store is therefore electrically connected to the first outer conductor by the first DC voltage converter. Electrical energy provided by the supply network can accordingly be fed to the first energy store by means of the first outer conductor and the first DC voltage converter.
  • the second energy store For the electrical connection of the second energy store to the first outer conductor, there is also usually a DC voltage converter device with at least one first DC voltage converter.
  • the second energy store is therefore electrically connected to the first outer conductor through the first DC voltage converter. Electrical energy provided by the supply network can accordingly be fed to the second energy store by means of the first outer conductor and the first DC voltage converter.
  • the energy management system according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the DC voltage converter device can be dimensioned smaller compared to previously known solutions. As a result, on the one hand, the costs for the DC converter device reduced. In addition, the space required for the DC voltage converter device is reduced. According to the invention, it is provided for this purpose that the first DC voltage converter and the first DC voltage converter are connected in parallel with one another in relation to the first outer conductor. The first DC voltage converter and the first DC voltage converter are therefore electrically connected to the first outer conductor in parallel with one another. Electrical energy provided by means of the first outer conductor therefore does not first have to pass through the first DC voltage converter in order to be fed to the first DC voltage converter.
  • the first DC voltage converter is indirectly electrically connected to the first energy store, namely by means of the first DC voltage converter.
  • the first DC voltage converter and the first DC voltage converter are therefore connected in series with one another.
  • a direct electrical connection between the first energy store and the first DC voltage converter that is to say an electrical connection bypassing the first DC voltage converter, is preferably dispensed with. If the second energy store is to be charged by the first energy store in the energy management system according to the invention, then the first energy store provides the first battery voltage.
  • the first battery voltage is not directly present at the first DC voltage converter, but at the first DC voltage converter.
  • the first DC-DC converter always converts the first battery voltage into an output voltage with a voltage value of 400 V Connection can thus be achieved that the first DC voltage converter when charging the second energy store by means of the first energy store - always the same electrical voltage is supplied - regardless of the nominal voltage of the first energy store.
  • the first DC voltage converter then only has to be able to convert this electrical voltage to the electrical nominal voltage of the second energy store with high efficiency.
  • first DC voltage converter and the first DC voltage converter in parallel with one another in relation to the first energy store.
  • the first DC voltage converter and the first DC voltage converter are then connected in series with one another in relation to the first outer conductor, so that the second energy store is electrically connected to the first outer conductor by means of the first DC voltage converter and the first DC voltage converter. If, in this case, the second energy store is to be charged by means of the first energy store, then the rated voltage of the first energy store is applied directly to the first DC voltage converter.
  • the first DC voltage converter must be designed in this case to be able to convert all of the different common nominal voltages to the electrical nominal voltage of the second energy store with high efficiency.
  • the first DC voltage converter is generally dimensioned relatively large. Because the first DC voltage converter of the energy management system according to the invention can always be supplied with the same voltage when charging the second energy store by means of the first energy store, the first DC voltage converter can be dimensioned smaller.
  • a DC converter is an electrical circuit that converts a supplied DC voltage into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.
  • a DC voltage converter is also to be understood as meaning an electrical circuit that converts a supplied DC voltage into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.
  • the first energy store is preferably designed as a high-voltage energy store. In this respect, the first energy store has a nominal voltage of more than 200V.
  • the first energy store particularly preferably has a nominal voltage of 400 V or a nominal voltage of 800 V.
  • the first energy store preferably has a variable nominal voltage.
  • the voltage rating is variable over an operating range of 400V to 800V.
  • the second energy store is preferably designed as a low-voltage energy store. In this respect, the second energy store has a nominal voltage of less than 20V.
  • the second energy store particularly preferably has a nominal voltage of 12 V or 14 V.
  • a first intermediate voltage circuit is connected downstream of the first outer conductor, the first DC voltage converter and the first DC voltage converter being electrically connected to the first outer conductor by means of the first voltage intermediate circuit.
  • the parallel connection of the first DC voltage converter and the first DC voltage converter is thus achieved in that these elements are electrically connected to the first voltage intermediate circuit.
  • the first DC voltage converter and the first DC voltage converter are preferably connected directly to the first intermediate voltage circuit, that is to say without the interposition of other electrical circuits.
  • the first intermediate voltage circuit preferably has a capacitor, in particular an electrolytic capacitor, for voltage stabilization.
  • the connection device preferably has a first AC/DC converter unit which is assigned to the first outer conductor and is arranged or connected between the first outer conductor and the first voltage intermediate circuit. If an AC voltage is applied to the first outer conductor, the AC voltage is directed into a DC voltage by the first AC/DC converter unit, so that the directed DC voltage is then fed to the first DC voltage converter and the first DC voltage converter.
  • the connection device is designed as a three-phase alternating current connection with three outer conductors.
  • the connection device therefore has a first outer conductor, a second outer conductor and a third outer conductor.
  • connection device allows the energy stores to be charged with a high charging power.
  • Each of the outer conductors is preferably followed by a different AC/DC converter unit and a different intermediate voltage circuit.
  • the connection device then has a first AC/DC converter unit, a second AC/DC converter unit and a third AC/DC converter unit, as well as a first intermediate voltage circuit, a second intermediate voltage circuit and a third intermediate voltage circuit.
  • the DC-DC converter device has a plurality of DC-DC converters.
  • the charging power with regard to the charging of the first energy store is increased by the provision of the plurality of DC-DC converters.
  • the number of DC-DC converters preferably corresponds to the number of outer conductors. Three DC voltage converters are particularly preferably provided.
  • the DC voltage converter device has a plurality of DC voltage converters.
  • the charging power with regard to the charging of the second energy store is increased by the provision of the plurality of DC voltage converters. Two direct voltage converters are particularly preferably provided.
  • the DC-DC converters are preferably electrically connected to the first energy store on the one hand and to a respective other of the outer conductors on the other hand.
  • the DC-DC converters are thus connected in parallel with one another in relation to the first energy store.
  • the first DC-DC converter is connected to the first outer conductor
  • a second of the DC-DC converters is connected to a second of the outer conductors
  • a third of the DC-DC converters is connected to a third of the outer conductors.
  • the DC voltage converters are preferably connected to the second energy store on the one hand and to a respective other of the outer conductors on the other hand electrically connected.
  • the DC voltage converters are thus connected in parallel with one another in relation to the second energy store.
  • the first DC voltage converter is particularly preferably connected to the first outer conductor and a second DC voltage converter is connected to the second outer conductor. If there are three outer conductors and two DC voltage converters, one of the outer conductors is not connected to one of the DC voltage converters and is therefore free of a DC voltage converter.
  • the DC voltage converters are preferably in the form of voltage converters of the Dual Active Bridge (DAB) type.
  • DAB Dual Active Bridge
  • the DC-DC converters are advantageously suitable on the one hand for converting the supply voltage provided by the supply network into the nominal voltage of the first energy store and on the other hand for converting the nominal voltage provided by the first energy store into an output voltage suitable for the DC-DC converter.
  • the DC voltage converters are preferably in the form of voltage converters of the phase shifted full bridge (PSFB) type.
  • the energy management system preferably has a heating device which has a first heating unit, the first heating unit and one of the DC voltage converters being connected in parallel with one another in relation to one of the outer conductors. If the first heating unit is to be operated with electrical energy that is provided by the first energy store, such an arrangement or connection of the first heating unit is particularly advantageous. This follows from the fact that the first battery voltage provided by the first energy store is first fed to the DC-DC converter, so that the first battery voltage can be converted by the DC-DC converter into an output voltage that is particularly suitable for operating the first heating unit.
  • the heating device preferably has a second heating unit, the second heating unit, one of the DC voltage converters and one of the DC voltage converters being connected in parallel with one another in relation to one of the outer conductors. Should the second heating unit with electrical energy are operated, which is provided by the first energy store, such an arrangement or connection of the second heating unit is also particularly advantageous.
  • the heating device preferably has both the first and the second heating unit. As an alternative to this, the heating device preferably has only the first heating unit or only the second heating unit.
  • the DC voltage converter device, the DC voltage converter device and the heating device are arranged in the same housing of the energy management system. Due to the arrangement in the housing, the aforementioned components can be easily handled together as a module.
  • the connection device is preferably also arranged at least in sections in the housing.
  • the energy management system has a cooling device for cooling elements of the energy management system, with the heating device being in heat-conducting contact with a cooling liquid of the cooling device.
  • a cooling device is generally present in energy management systems anyway. Because the heating device is in thermally conductive contact with the cooling liquid and in this respect is designed to heat the cooling liquid, thermal energy provided by the heating device can be effectively distributed by means of the cooling liquid. For example, the thermal energy can be transported to other heat sinks of the motor vehicle in order to heat these other heat sinks.
  • the motor vehicle according to the invention is distinguished by the features of claim 12 by the energy management system according to the invention. This also results in the advantages already mentioned. Further preferred features and combinations of features emerge from the description and from the claims.
  • the method according to the invention for operating the energy management system according to the invention is characterized by the features of the claim 13 in that an electrical first battery voltage is provided by the first energy store, that the first battery voltage is converted into an electrical output voltage by the DC voltage converter device, that the output voltage is supplied to the second energy store by means of the DC voltage converter device, and/or that the output voltage of the heating device is supplied to their operation. Because the first battery voltage is not fed directly to the DC voltage converter device or the heating device, but first to the DC voltage converter device, the first battery voltage can be converted by the DC voltage converter device into an output voltage which is particularly suitable for being fed to the DC voltage converter device or for operating the heating device. Further preferred features and combinations of features emerge from the description and from the claims.
  • connection device is electrically connected to a supply network, that a supply voltage is provided by the supply network, that the supply voltage is supplied to the first Energy store is supplied, that the supply voltage is supplied to the second energy store by means of the DC voltage converter device, and/or that the supply voltage of the heating device is supplied for its operation.
  • FIG. 1 shows an energy management system in a schematic representation
  • FIG. 2 shows a method for operating the energy management system
  • FIG. 3 another method for operating the energy management system
  • FIG. 4 another method for operating the energy management system
  • FIG. 5 shows a method for supplying electrical energy to the energy management system
  • FIG. 6 shows a further method for supplying electrical energy to the energy management system
  • FIG. 7 shows another method for supplying electrical energy to the energy management system.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an energy management system 1 of a motor vehicle, not shown.
  • the energy management system 1 has a first electrical energy store 2 .
  • the first energy store 2 is a high-voltage energy store 2.
  • the first energy store 2 has a nominal voltage of 800 V in the present case.
  • the rated voltage of the first energy store 2 is also referred to below as the first battery voltage.
  • the energy management system 1 also has a second electrical energy store 3 .
  • the second energy store 3 is a low-voltage energy store 3.
  • the second energy store 3 has a nominal voltage of 14 V in the present case.
  • the rated voltage of the second energy store 3 is also referred to below as the second battery voltage.
  • the energy management system 1 also has a connection device 4 .
  • the connection device 4 is designed as a three-phase AC connection 4 with three outer conductors LI, L2 and L3.
  • the energy management system 1 can be electrically connected to an external electrical supply network by means of the connection device 4 . If the connection device 4 is designed as a plug socket, a plug device that is electrically connected to the supply network is plugged into the connection device 4 for this purpose.
  • Each of the outer conductors LI, L2 and L3 has a filter 5, 6 and 7, respectively.
  • An AC/DC converter unit 8, 9 or 10 is assigned to each of the outer conductors LI, L2 and L3.
  • a first AC/DC converter unit 8 of the AC/DC converter units is connected downstream of the first outer conductor LI.
  • a second AC/DC converter unit 9 of the AC/DC converter units is connected downstream of the second outer conductor L2.
  • a third AC/DC converter unit 10 of the AC/DC converter units is connected downstream of the third external conductor L3.
  • the AC/DC converter units 8, 9 and 10 are designed to convert an electrical AC voltage applied to the outer conductors LI, L2 and L3 into a DC voltage or to direct the AC voltage.
  • the AC/DC converter units 8, 9 and 10 are each designed as a single-phase L-N rectifier with a power factor correction stage (PFC stage).
  • An intermediate voltage circuit 11, 12 or 13 is connected downstream of the AC/DC converter units 8, 9 and 10, respectively.
  • a first intermediate voltage circuit 11 is connected downstream of the first AC/DC converter unit 8 .
  • a second intermediate voltage circuit 12 is connected downstream of the second AC/DC converter unit 9 .
  • a third intermediate voltage circuit 13 is connected downstream of the third AC/DC converter unit 10 .
  • Each of the voltage intermediate circuits 11, 12 and 13 has an electrolytic capacitor (not shown) for stabilization.
  • the energy management system 1 also has a DC-DC converter device 14 .
  • the DC-DC converter device 14 has a number of DC-DC converters corresponding to the number of outer conductors. In this respect are a first DC-DC converter 15, a second DC-DC converter 16 and a third DC-DC converter 17 available.
  • 16 and 17 are each designed as voltage converters of the dual active bridge (DAB) type.
  • DAB dual active bridge
  • the first energy store 2 is electrically connected to the first outer conductor LI by the first DC voltage converter 15 .
  • the first energy store 2 is electrically connected to the second external conductor L2 by the second DC voltage converter 16 .
  • the third DC-DC converter is electrically connected to the third DC-DC converter
  • the first energy store 2 is electrically connected to the third external conductor L3.
  • the first DC-DC converter 15 is electrically connected to the first outer conductor LI by means of the first intermediate voltage circuit 11 .
  • the second DC-DC converter 16 is electrically connected to the second outer conductor L2 by means of the second intermediate voltage circuit 12 .
  • the third DC-DC converter 17 is electrically connected to the third external conductor L3 by means of the third intermediate voltage circuit 13 .
  • the DC-DC converters 15, 16 and 17 are connected in parallel to one another.
  • the DC-DC converters 15, 16 and 17 are electrically connected to the first energy store 2 by a first EMC filter 18.
  • the energy management system 1 also has a DC voltage converter device 19 .
  • the DC voltage converter device 19 has a first DC voltage converter 20 and a second DC voltage converter 21 .
  • the DC-DC converters 20 and 21 are each designed as a voltage converter of the phase shifted bridge (PSFB) type.
  • PSFB phase shifted bridge
  • the second energy store 3 is electrically connected to the first outer conductor LI by the first DC voltage converter 20 .
  • the second energy store 3 is electrically connected to the second outer conductor L2 by the second DC voltage converter 21 .
  • the first DC voltage converter 20 is electrically connected to the first outer conductor LI by means of the first voltage intermediate circuit 11 .
  • the second The DC voltage converter is electrically connected to the second outer conductor L2 by means of the second voltage intermediate circuit 12 .
  • the DC voltage converters 20 and 21 are connected in parallel to one another.
  • Both the first DC voltage converter 15 and the first DC voltage converter 20 are therefore electrically connected to the first voltage intermediate circuit 11 .
  • the first DC voltage converter 15 and the first DC voltage converter 20 are connected in parallel with one another in relation to the first outer conductor LI.
  • the first DC voltage converter 15 and the first DC voltage converter 20 are connected in series with one another.
  • the first DC voltage converter 20 is therefore electrically connected to the first energy store 2 by means of the first DC voltage converter 15 .
  • a direct electrical connection between the first DC voltage converter 20 and the first energy store 2 is dispensed with.
  • the DC voltage converters 20 and 21 are electrically connected to the second energy store 3 by a second EMC filter 22 .
  • the energy management system 1 also has a heating device 23 .
  • the heating device 23 has a first heating unit 24 and a second heating unit 25 . According to a further exemplary embodiment that is not illustrated, the heating device 23 has only the first heating unit 24 or the second heating unit 25 .
  • the first heating unit 24 is electrically connected to the third intermediate voltage circuit 13 .
  • the first heating unit 24 and the third DC voltage converter 17 are connected in parallel with one another in relation to the third external conductor L3.
  • the third DC-DC converter 17 and the first heating unit 24 are connected in series with one another.
  • the second heating unit 25 is electrically connected to the second intermediate voltage circuit 12 .
  • the second heating unit 25, the second DC voltage converter 16 and the second DC voltage converter 21 are connected in parallel with one another in relation to the second outer conductor L2.
  • the second DC-DC converter 16 and the second heating unit 25 are connected in series with one another.
  • the heating device 23 also has a switching device 26 .
  • the switching device 26 is designed to either electrically separate the heating units 24 and 25 from the intermediate voltage circuits 12 or 13 or to connect them electrically to the intermediate voltage circuits 12 or 13 .
  • the switching device 26 has at least one first switching element assigned to the first heating unit 24 and at least one second switching element assigned to the second heating unit 25 .
  • the switching elements are each formed, for example, as a MOSFET or as a relay.
  • the energy management system 1 also has a cooling device (not shown) for cooling various elements of the energy management system 1 .
  • the cooling device is designed to cool the DC voltage converter device 14, the DC voltage converter device 19, the connection device 4 and/or the AC/DC converter units 8, 9 and 10.
  • the heating units 24 and 25 are in thermally conductive contact with a cooling liquid of the cooling device, so that the cooling liquid is heated during operation of the heating units 24 and 25 .
  • the thermal energy provided by the heating units 24 and 25 can also be transported to further heat sinks of the motor vehicle by means of the cooling liquid in order to heat these further heat sinks.
  • the energy management system 1 also has a housing 27 .
  • the housing 27 are the DC-DC converter device 14, the DC voltage converter device 19 and the heating device 23 are arranged.
  • the AC/DC converter units 8 , 9 and 10 are also arranged in the housing 27 .
  • the connecting device 4 is arranged in sections in the housing 27 in such a way that the outer conductors L1, L2 and L3 are accessible from outside the housing 27. Due to the arrangement in the housing 27, the aforementioned elements of the energy management system 1 can be easily handled as an assembly.
  • FIGS. 2 to 4 Various methods for operating the energy management system 1 are explained in more detail below with reference to FIGS.
  • the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 2 to 4 have in common that the first battery voltage, which has a voltage value of 800 V in the present case, is provided by the first energy store 2 .
  • the filters 5, 6 and 7 and the EMC filters 18 and 22 are not shown in FIGS. 2 to 4 for the sake of clarity.
  • the second energy store 3 is charged by means of the first battery voltage provided.
  • the DC voltage converters 15 and 16 convert the first battery voltage into an output voltage of 400 V. This output voltage is then fed to the DC voltage converters 20 and 21 and converted by the DC voltage converters 20 and 21 into a voltage which corresponds to the nominal voltage of the second energy store 3.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3 differs from the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2 in that part of the first battery voltage provided is supplied to the first heating unit 24 for its operation.
  • the switching element assigned to the first heating unit 24 is conductive according to this exemplary embodiment.
  • the third DC converter 17 converts the first battery voltage provided by the first energy store 2 into the output voltage of 400 V. The output voltage is then supplied to the first heating unit 24 for its operation.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 4 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 3 in that part of the first battery voltage provided is also supplied to the second heating unit 25 for its operation. According to this exemplary embodiment, the switching element assigned to the second heating unit 25 is therefore conductive.
  • connection device 4 is electrically connected to a supply network, which is not illustrated.
  • An AC voltage of 400 V is provided as the supply voltage by the supply network. This AC voltage is applied to each of the outer conductors LI, L2 and L3.
  • the filters 5, 6 and 7 and the EMC filters 18 and 22 are not shown in FIGS. 5 to 7 for the sake of clarity.
  • the first energy store 2 and the second energy store 3 are charged by the supply voltage provided.
  • the first energy store 2 is supplied with electrical energy by means of the first DC converter 15 , the second DC converter 16 and the third DC converter 17 .
  • Electrical energy is supplied to the second energy store 3 by means of the first DC voltage converter 20 and the second DC voltage converter 21 .
  • the third DC voltage converter 17 is inactive or non-conductive.
  • the switching element assigned to the first heating unit 24 is conductive.
  • electrical energy supplied through the third external conductor L3 is supplied to the first heating unit 24 for its operation.
  • the first energy store 2 is only through the first
  • the DC-DC converter 15 supplied electrical energy.
  • the second DC-DC converter 16 and the third DC-DC converter 17 are inactive or non-conductive.
  • the switching element assigned to the second heating unit 25 is also conductive.
  • electrical energy supplied through the second outer conductor L2 is supplied proportionately to the second DC voltage converter 21 and proportionately to the second heating unit 25 for its operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer zumindest einen ersten Außenleiter (L1) aufweisenden Anschlusseinrichtung (4), mit einem ersten elektrischen Energiespeicher (2), mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher (3), mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (15) aufweisenden Gleichspannungswandlereinrichtung (14), und mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungskonverter (20) aufweisenden Gleichspannungskonvertereinrichtung (21), wobei der erste Energiespeicher (2) durch den ersten Gleichspannungswandler (15) elektrisch mit dem ersten Außenleiter (L1) verbunden ist, und wobei der zweite Energiespeicher (3) durch den ersten Gleichspannungskonverter (20) elektrisch mit dem ersten Außenleiter (L1) verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass der erste Gleichspannungswandler (15) und der erste Gleichspannungskonverter (20) bezogen auf den ersten Außenleiter (L1) parallel zueinander geschaltet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Energiemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug, Verfahren
Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer zumindest einen ersten Außenleiter aufweisenden Anschlusseinrichtung, mit einem ersten elektrischen Energiespeicher, mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher, mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungswandler aufweisenden Gleichspannungswandlereinrichtung, und mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungskonverter aufweisenden Gleichspannungskonvertereinrichtung, wobei der erste Energiespeicher durch den ersten Gleichspannungswandler elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden ist, und wobei der zweite Energiespeicher durch den ersten Gleichspannungskonverter elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiemanagementsystem.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiemanagementsystems.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu einem derartigen Energiemanagementsystem.
Stand der Technik
Energiemanagementsysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Plugin-Hybridfahrzeuge weisen in der Regel zumindest einen ersten elektrischen Energiespeicher und einen zweiten elektrischen Energiespeicher auf. Vorzugsweise unterscheidet sich dabei die Nennspannung der beiden Energiespeicher. Beispielsweise ist die Nennspannung des ersten Energiespeichers größer als die Nennspannung des zweiten Energiespeichers. Im Folgenden wird die Nennspannung des ersten Energiespeichers auch als erste Batteriespannung bezeichnet und die Nennspannung des zweiten Energiespeichers auch als zweite Batteriespannung. Um die Energiespeicher mit elektrischer Energie zu laden, weisen Elektrofahrzeuge und Plugin- Hybridfahrzeuge üblicherweise eine Anschlusseinrichtung mit zumindest einem ersten Außenleiter auf. Mittels der Anschlusseinrichtung sind die Fahrzeuge mit einem fahrzeugexternen elektrischen Versorgungsnetz elektrisch verbindbar. Hierzu ist die Anschlusseinrichtung vorzugsweise als Steckeraufnahme oder als Steckereinrichtung ausgebildet.
Zur elektrischen Verbindung des ersten Energiespeichers mit dem ersten Außenleiter ist üblicherweise eine Gleichspannungswandlereinrichtung mit zumindest einem ersten Gleichspannungswandler vorhanden. Der erste Energiespeicher ist also durch den ersten Gleichspannungswandler elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden. Durch das Versorgungsnetz bereitgestellte elektrische Energie ist dem ersten Energiespeicher demnach mittels des ersten Außenleiters und des ersten Gleichspannungswandlers zuführbar. Zur elektrischen Verbindung des zweiten Energiespeichers mit dem ersten Außenleiter ist zudem üblicherweise eine Gleichspannungskonvertereinrichtung mit zumindest einem ersten Gleichspannungskonverter vorhanden. Der zweite Energiespeicher ist also durch den ersten Gleichspannungskonverter elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden. Durch das Versorgungsnetz bereitgestellte elektrische Energie ist dem zweiten Energiespeicher demnach mittels des ersten Außenleiters und des ersten Gleichspannungskonverters zuführbar.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Gleichspannungskonvertereinrichtung verglichen mit vorbekannten Lösungen kleiner dimensioniert werden kann. Hierdurch werden zum einen die Kosten für die Gleichspannungskonvertereinrichtung verringert. Zudem wird der für die Gleichspannungskonvertereinrichtung benötigte Bauraum verringert. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter bezogen auf den ersten Außenleiter parallel zueinander geschaltet sind. Der erste Gleichspannungskonverter und der erste Gleichspannungswandler sind also parallel zueinander elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden. Mittels des ersten Außenleiters bereitgestellte elektrische Energie muss demnach nicht zunächst den ersten Gleichspannungswandler durchlaufen, um dem ersten Gleichspannungskonverter zugeführt zu werden. Entsprechend muss mittels des ersten Außenleiters bereitgestellte elektrische Energie nicht zunächst den ersten Gleichspannungskonverter durchlaufen, um dem ersten Gleichspannungswandler zugeführt zu werden. Aus der erfindungsgemäßen Anordnung beziehungsweise Verschaltung folgt, dass der erste Gleichspannungskonverter mittelbar, nämlich mittels des ersten Gleichspannungswandlers, mit dem ersten Energiespeicher elektrisch verbunden ist. Bezogen auf den ersten Energiespeicher sind der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter demnach zueinander in Reihe geschaltet. Auf eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher und dem ersten Gleichspannungskonverter, also eine elektrische Verbindung unter Umgehung des ersten Gleichspannungswandlers, wird vorzugsweise verzichtet. Soll in dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem der zweite Energiespeicher durch den ersten Energiespeicher geladen werden, so stellt der erste Energiespeicher die erste Batteriespannung bereit. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung beziehungsweise Verschaltung des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Gleichspannungskonverters, liegt die erste Batteriespannung nicht unmittelbar an dem ersten Gleichspannungskonverter an, sondern an dem ersten Gleichspannungswandler. Durch diesen kann die erste Batteriespannung in eine Ausgangsspannung mit einem anderen Spannungswert gewandelt werden, wobei dann diese Ausgangsspannung dem ersten Gleichspannungskonverter zugeführt wird. Beispielsweise wandelt der erste Gleichspannungswandler die erste Batteriespannung stets in eine Ausgangsspannung mit einem Spannungswert von 400 V. Durch die erfindungsgemäße Anordnung beziehungsweise Verschaltung kann also erreicht werden, dass dem ersten Gleichspannungskonverter beim Laden des zweiten Energiespeichers mittels des ersten Energiespeichers - unabhängig von der Nennspannung des ersten Energiespeichers - stets die gleiche elektrische Spannung zugeführt wird. Der erste Gleichspannungskonverter muss dann nur diese elektrische Spannung mit hohem Wirkungsgrad auf die elektrische Nennspannung des zweiten Energiespeichers wandeln können. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den ersten Gleichspannungskonverter und den ersten Gleichspannungswandler bezogen auf den ersten Energiespeicher parallel zueinander zu schalten. Der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter sind dann bezogen auf den ersten Außenleiter zueinander in Reihe geschaltet, sodass der zweite Energiespeicher mittels des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Gleichspannungskonverters elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden ist. Soll in diesem Fall der zweite Energiespeicher mittels des ersten Energiespeichers geladen werden, so liegt die Nennspannung des ersten Energiespeichers direkt an dem ersten Gleichspannungskonverter an. Weil im Kraftfahrzeugbau erste Energiespeicher mit verschiedenen Nennspannungen üblich sind, muss in diesem Fall der erste Gleichspannungskonverter dazu ausgebildet sein, sämtliche der verschiedenen üblichen Nennspannungen mit hohem Wirkungsgrad auf die elektrische Nennspannung des zweiten Energiespeichers wandeln zu können. Daraus folgt, dass in den vorbekannten Lösungen der erste Gleichspannungskonverter in der Regel verhältnismäßig groß dimensioniert ist. Weil dem ersten Gleichspannungskonverter des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems beim Laden des zweiten Energiespeichers mittels des ersten Energiespeichers stets die gleiche Spannung zugeführt werden kann, kann der erste Gleichspannungskonverter kleiner dimensioniert werden. Unter einem Gleichspannungswandler ist eine elektrische Schaltung zu verstehen, die eine zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Auch unter einem Gleichspannungskonverter ist eine elektrische Schaltung zu verstehen, die eine zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Vorzugsweise ist der erste Energiespeicher als Hochspannungsenergiespeicher ausgebildet. Insofern weist der erste Energiespeicher eine Nennspannung von mehr als 200 V auf. Besonders bevorzugt weist der erste Energiespeicher eine Nennspannung von 400 V oder eine Nennspannung von 800 V auf. Alternativ dazu weist der ersten Energiespeicher vorzugsweise eine variable Nennspannung auf. Beispielsweise ist die Nennspannung über einen Betriebsbereich von 400 V bis 800 V variabel. Der zweite Energiespeicher ist vorzugsweise als Niederspannungsenergiespeicher ausgebildet. Insofern weist der zweite Energiespeicher eine Nennspannung von weniger als 20 V auf. Besonders bevorzugt weist der zweite Energiespeicher eine Nennspannung von 12 V oder 14 V auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass dem ersten Außenleiter ein erster Spannungszwischenkreis nachgeschaltet ist, wobei der erste Gleichspannungskonverter und der erste Gleichspannungswandler mittels des ersten Spannungszwischenkreises elektrisch mit dem ersten Außenleiter verbunden sind. Die parallele Verschaltung des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Gleichspannungskonverters wird also dadurch erreicht, dass diese Elemente elektrisch mit dem ersten Spannungszwischenkreis verbunden sind. Vorzugsweise sind der erste Gleichspannungswandler und der erste Gleichspannungskonverter direkt, also ohne Zwischenschaltung von sonstigen elektrischen Schaltungen, mit dem ersten Spannungszwischenkreis verbunden. Durch das Vorsehen des ersten Spannungszwischenkreises und die Verbindung des Gleichspannungswandlers sowie des Gleichspannungskonverters werden Spannungsschwankungen beim Laden der Energiespeicher mittels eines eine Wechselspannung bereitstellenden Versorgungsnetzes verringert. Vorzugsweise weist der erste Spannungszwischenkreis einen Kondensator, insbesondere Elektrolytkondensator, zur Spannungsstabilisierung auf. Vorzugsweise weist die Anschlusseinrichtung eine dem ersten Außenleiter zugeordnete erste AC/DC- Wandlereinheit auf, die zwischen dem ersten Außenleiter und dem ersten Spannungszwischenkreis angeordnet beziehungsweise geschaltet ist. Wird an den ersten Außenleiter eine Wechselspannung angelegt, so wird die Wechselspannung durch die erste AC/DC-Wandlereinheit in eine Gleichspannung gerichtet, sodass dann dem ersten Gleichspannungswandler und dem ersten Gleichspannungskonverter die gerichtete Gleichspannung zugeführt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anschlusseinrichtung als Dreiphasenwechselstromanschluss mit drei Außenleitern ausgebildet ist. Die Anschlusseinrichtung weist also einen ersten Außenleiter, einen zweiten Außenleiter und einen dritten Außenleiter auf. Durch eine derartige Ausgestaltung der Anschlusseinrichtung können die Energiespeicher mit einer hohen Ladeleistung geladen werden. Vorzugsweise ist jedem der Außenleiter jeweils eine andere AC/DC-Wandlereinheit und jeweils ein anderer Spannungszwischenkreis nachgeschaltet. Die Anschlusseinrichtung weist dann also eine erste AC/DC-Wandlereinheit, eine zweite AC/DC- Wandlereinheit und eine dritte AC/DC-Wandlereinheit auf, sowie einen ersten Spannungszwischenkreis, einen zweiten Spannungszwischenkreis und einen dritten Spannungszwischenkreis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung mehrere Gleichspannungswandler aufweist. Durch das Vorsehen der mehreren Gleichspannungswandler wird die Ladeleistung im Hinblick auf das Laden des ersten Energiespeichers gesteigert. Vorzugsweise entspricht die Anzahl an Gleichspannungswandlern der Anzahl an Außenleitern. Besonders bevorzugt sind drei Gleichspannungswandler vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gleichspannungskonvertereinrichtung mehrere Gleichspannungskonverter aufweist. Durch das Vorsehen der mehreren Gleichspannungskonverter wird die Ladeleistung im Hinblick auf das Laden des zweiten Energiespeichers gesteigert. Besonders bevorzugt sind zwei Gleichspannungskonverter vorgesehen.
Vorzugsweise sind die Gleichspannungswandler mit dem ersten Energiespeicher einerseits und mit einem jeweils anderen der Außenleiter andererseits elektrisch verbunden. Die Gleichspannungswandler sind somit bezogen auf den ersten Energiespeicher parallel zueinander geschaltet. Besonders bevorzugt ist der erste Gleichspannungswandler mit dem ersten Außenleiter verbunden, ein zweiter der Gleichspannungswandler mit einem zweiten der Außenleiter und ein dritter der Gleichspannungswandler mit einem dritten der Außenleiter.
Vorzugsweise sind die Gleichspannungskonverter mit dem zweiten Energiespeicher einerseits und mit einem jeweils anderen der Außenleiter andererseits elektrisch verbunden. Die Gleichspannungskonverter sind somit bezogen auf den zweiten Energiespeicher parallel zueinander geschaltet. Besonders bevorzugt ist der erste Gleichspannungskonverter mit dem ersten Außenleiter verbunden und ein zweiter der Gleichspannungskonverter mit dem zweiten Außenleiter. Sind drei Außenleiter und zwei Gleichspannungskonverter vorhanden, so ist entsprechend einer der Außenleiter nicht mit einem der Gleichspannungskonverter verbunden und insofern frei von einem Gleichspannungskonverter.
Vorzugsweise sind die Gleichspannungswandler als Spannungswandler vom Typ Dual-Active-Bridge (DAB) ausgebildet. Dadurch sind die Gleichspannungswandler vorteilhaft geeignet um einerseits die durch das Versorgungsnetz bereitgestellte Versorgungsspannung in die Nennspannung des ersten Energiespeichers zu wandeln und andererseits die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellte Nennspannung in eine für die Gleichspannungskonverter geeignete Ausgangsspannung zu wandeln. Die Gleichspannungskonverter sind vorzugsweise als Spannungswandler vom Typ Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) ausgebildet.
Vorzugsweise weist das Energiemanagementsystem eine Heizeinrichtung auf, die eine erste Heizeinheit aufweist, wobei die erste Heizeinheit und einer der Gleichspannungswandler bezogen auf einen der Außenleiter parallel zueinander geschaltet sind. Soll die erste Heizeinheit mit elektrischer Energie betrieben werden, die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellt wird, so ist eine derartige Anordnung beziehungsweise Verschaltung der ersten Heizeinheit besonders vorteilhaft. Dies folgt daraus, dass die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellte erste Batteriespannung zunächst dem Gleichspannungswandler zugeführt wird, sodass die erste Batteriespannung durch den Gleichspannungswandler in eine Ausgangsspannung gewandelt werden kann, die zum Betreiben der ersten Heizeinheit besonders geeignet ist.
Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung eine zweite Heizeinheit auf, wobei die zweite Heizeinheit, einer der Gleichspannungswandler und einer der Gleichspannungskonverter bezogen auf einen der Außenleiter parallel zueinander geschaltet sind. Soll die zweite Heizeinheit mit elektrischer Energie betrieben werden, die durch den ersten Energiespeicher bereitgestellt wird, so ist auch eine derartige Anordnung beziehungsweise Verschaltung der zweiten Heizeinheit besonders vorteilhaft. Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung sowohl die erste als auch die zweite Heizeinheit auf. Alternativ dazu weist die Heizeinrichtung vorzugsweise nur die erste Heizeinheit oder nur die zweite Heizeinheit auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung, die Gleichspannungskonvertereinrichtung und die Heizeinrichtung in demselben Gehäuse des Energiemanagementsystems angeordnet sind. Durch die Anordnung in dem Gehäuse sind die vorstehend genannten Komponenten einfach als Modul gemeinsam handhabbar. Vorzugsweise ist auch die Anschlusseinrichtung zumindest abschnittsweise in dem Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energiemanagementsystem eine Kühleinrichtung zum Kühlen von Elementen des Energiemanagementsystems aufweist, wobei die Heizeinrichtung in Wärmeleitkontakt mit einer Kühlflüssigkeit der Kühleinrichtung ist. Eine derartige Kühleinrichtung ist im Allgemeinen ohnehin in Energiemanagementsystemen vorhanden. Weil die Heizeinrichtung in Wärmeleitkontakt mit der Kühlflüssigkeit ist und insofern dazu ausgebildet ist, die Kühlflüssigkeit zu erwärmen, kann durch die Heizeinrichtung bereitgestellte Wärmeenergie mittels der Kühlflüssigkeit effektiv verteilt werden. Beispielsweise kann die Wärmeenergie zu weiteren Wärmesenken des Kraftfahrzeugs transportiert werden, um diese weiteren Wärmesenken zu erwärmen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 12 durch das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 13 dadurch aus, dass durch den ersten Energiespeicher eine elektrische erste Batteriespannung bereitgestellt wird, dass die erste Batteriespannung durch die Gleichspannungswandlereinrichtung in eine elektrische Ausgangsspannung gewandelt wird, dass die Ausgangsspannung mittels der Gleichspannungskonvertereinrichtung dem zweiten Energiespeicher zugeführt wird, und/oder dass die Ausgangsspannung der Heizeinrichtung zu deren Betrieb zugeführt wird. Weil die erste Batteriespannung nicht unmittelbar der Gleichspannungskonvertereinrichtung beziehungsweise der Heizeinrichtung zugeführt wird, sondern zunächst der Gleichspannungswandlereinrichtung, kann die erste Batteriespannung durch die Gleichspannungswandlereinrichtung in eine Ausgangsspannung gewandelt werden, die für die Zuführung zu der Gleichspannungskonvertereinrichtung beziehungsweise zum Betrieb der Heizeinrichtung besonders geeignet ist. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 14 dadurch aus, dass die Anschlusseinrichtung elektrisch mit einem Versorgungsnetz verbunden wird, dass durch das Versorgungsnetz eine Versorgungsspannung bereitgestellt wird, dass die Versorgungsspannung mittels der Gleichspannungswandlereinrichtung dem ersten Energiespeicher zugeführt wird, dass die Versorgungsspannung mittels der Gleichspannungskonvertereinrichtung dem zweiten Energiespeicher zugeführt wird, und/oder dass die Versorgungsspannung der Heizeinrichtung zu deren Betrieb zugeführt wird. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
Figur 1 ein Energiemanagementsystem in einer schematischen Darstellung, Figur 2 ein Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems,
Figur 3 ein weiteres Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems,
Figur 4 ein weiteres Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems,
Figur 5 ein Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem,
Figur 6 ein weiteres Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem und
Figur 7 ein weiteres Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Energiemanagementsystem 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs.
Das Energiemanagementsystem 1 weist einen ersten elektrischen Energiespeicher 2 auf. Bei dem ersten Energiespeicher 2 handelt es sich um einen Hochspannungsenergiespeicher 2. Der erste Energiespeicher 2 weist vorliegend eine Nennspannung von 800 V auf. Die Nennspannung des ersten Energiespeichers 2 wird im Folgenden auch als erste Batteriespannung bezeichnet.
Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem einen zweiten elektrischen Energiespeicher 3 auf. Bei dem zweiten Energiespeicher 3 handelt es sich um einen Niederspannungsenergiespeicher 3. Der zweite Energiespeicher 3 weist vorliegend eine Nennspannung von 14 V auf. Die Nennspannung des zweiten Energiespeichers 3 wird im Folgenden auch als zweite Batteriespannung bezeichnet. Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Anschlusseinrichtung 4 auf. Die Anschlusseinrichtung 4 ist als Dreiphasenwechselstromanschluss 4 mit drei Außenleitern LI, L2 und L3 ausgebildet. Mittels der Anschlusseinrichtung 4 ist das Energiemanagementsystem 1 mit einem externen elektrischen Versorgungsnetz elektrisch verbindbar. Ist die Anschlusseinrichtung 4 als Steckeraufnahme ausgebildet, so wird hierzu eine elektrisch mit dem Versorgungsnetz verbundene Steckereinrichtung in die Anschlusseinrichtung 4 eingesteckt. Jeder der Außenleiter LI, L2 und L3 weist jeweils einen Filter 5, 6 beziehungsweise 7 auf.
Jedem der Außenleiter LI, L2 und L3 ist jeweils eine AC/DC-Wandlereinheit 8, 9 beziehungsweise 10 zugeordnet. Eine erste AC/DC-Wandlereinheit 8 der AC/DC-Wandlereinheiten ist dem ersten Außenleiter LI nachgeschaltet. Eine zweite AC/DC-Wandlereinheit 9 der AC/DC-Wandlereinheiten ist dem zweiten Außenleiter L2 nachgeschaltet. Eine dritte AC/DC-Wandlereinheit 10 der AC/DC- Wandlereinheiten ist dem dritten Außenleiter L3 nachgeschaltet. Die AC/DC- Wandlereinheiten 8, 9 und 10 sind dazu ausgebildet, eine an den Außenleitern LI, L2 und L3 anliegende elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln beziehungsweise die Wechselspannung zu richten. Vorliegend sind die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 jeweils als einphasiger L-N Gleichrichter mit Power- Factor-Correction-Stufe (PFC-Stufe) ausgebildet.
Den AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 ist jeweils ein Spannungszwischenkreis 11, 12 beziehungsweise 13 nachgeschaltet. Ein erster Spannungszwischenkreis 11 ist der ersten AC/DC-Wandlereinheit 8 nachgeschaltet. Ein zweiter Spannungszwischenkreis 12 ist der zweiten AC/DC- Wandlereinheit 9 nachgeschaltet. Ein dritter Spannungszwischenkreis 13 ist der dritten AC/DC-Wandlereinheit 10 nachgeschaltet. Jeder der Spannungszwischenkreise 11, 12 und 13 weist jeweils einen nicht dargestellten Elektrolytkondensator zur Stabilisierung auf.
Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Gleichspannungswandlereinrichtung 14 auf. Die Gleichspannungswandlereinrichtung 14 weist eine der Anzahl an Außenleitern entsprechende Anzahl an Gleichspannungswandlern auf. Insofern sind ein erster Gleichspannungswandler 15, ein zweiter Gleichspannungswandler 16 und ein dritter Gleichspannungswandler 17 vorhanden. Die Gleichspannungswandler 15,
16 und 17 sind jeweils als Spannungswandler vom Typ Dual-Active-Bridge (DAB) ausgebildet.
Durch den ersten Gleichspannungswandler 15 ist der erste Energiespeicher 2 elektrisch mit dem ersten Außenleiter LI verbunden. Durch den zweiten Gleichspannungswandler 16 ist der erste Energiespeicher 2 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Durch den dritten Gleichspannungswandler
17 ist der erste Energiespeicher 2 elektrisch mit dem dritten Außenleiter L3 verbunden. Dabei ist der erste Gleichspannungswandler 15 mittels des ersten Spannungszwischenkreises 11 elektrisch mit dem ersten Außenleiter LI verbunden. Der zweite Gleichspannungswandler 16 ist mittels des zweiten Spannungszwischenkreises 12 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Der dritte Gleichspannungswandler 17 ist mittels des dritten Spannungszwischenkreises 13 elektrisch mit dem dritten Außenleiter L3 verbunden. Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind die Gleichspannungswandler 15, 16 und 17 parallel zueinander geschaltet.
Die Gleichspannungswandler 15, 16 und 17 sind durch ein erstes EMV-Filter 18 elektrisch mit dem ersten Energiespeicher 2 verbunden.
Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Gleichspannungskonvertereinrichtung 19 auf. Die Gleichspannungskonvertereinrichtung 19 weist einen ersten Gleichspannungskonverter 20 und einen zweiten Gleichspannungskonverter 21 auf. Die Gleichspannungskonverter 20 und 21 sind jeweils als Spannungswandler vom Typ Phase-Shifted-Bridge (PSFB) ausgebildet.
Durch den ersten Gleichspannungskonverter 20 ist der zweite Energiespeicher 3 elektrisch mit dem ersten Außenleiter LI verbunden. Durch den zweiten Gleichspannungskonverter 21 ist der zweite Energiespeicher 3 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Dabei ist der erste Gleichspannungskonverter 20 mittels des ersten Spannungszwischenkreises 11 elektrisch mit dem ersten Außenleiter LI verbunden. Der zweite Gleichspannungskonverter ist mittels des zweiten Spannungszwischenkreises 12 elektrisch mit dem zweiten Außenleiter L2 verbunden. Bezogen auf den zweiten Energiespeicher 3 sind die Gleichspannungskonverter 20 und 21 parallel zueinander geschaltet.
Es sind also sowohl der erste Gleichspannungswandler 15 als auch der erste Gleichspannungskonverter 20 elektrisch mit dem ersten Spannungszwischenkreis 11 verbunden. Insofern sind der erste Gleichspannungswandler 15 und der erste Gleichspannungskonverter 20 bezogen auf den ersten Außenleiter LI parallel zueinander geschaltet. Entsprechendes gilt für den zweiten Gleichspannungswandler 16 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21 bezogen auf den zweiten Außenleiter L2.
Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind der erste Gleichspannungswandler 15 und der erste Gleichspannungskonverter 20 zueinander in Reihe geschaltet. Der erste Gleichspannungskonverter 20 ist also mittels des ersten Gleichspannungswandlers 15 elektrisch mit dem ersten Energiespeicher 2 verbunden. Auf eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem ersten Gleichspannungskonverter 20 und dem ersten Energiespeicher 2 wird verzichtet. Entsprechendes gilt für den zweiten Gleichspannungswandler 16 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21.
Die Gleichspannungskonverter 20 und 21 sind durch ein zweites EMV-Filter 22 elektrisch mit dem zweiten Energiespeicher 3 verbunden.
Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine Heizeinrichtung 23 auf. Die Heizeinrichtung 23 weist eine erste Heizeinheit 24 und eine zweite Heizeinheit 25 auf. Gemäß einem nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel weist die Heizeinrichtung 23 nur die erste Heizeinheit 24 oder die zweite Heizeinheit 25 auf.
Die erste Heizeinheit 24 ist elektrisch mit dem dritten Spannungszwischenkreis 13 verbunden. Insofern sind die erste Heizeinheit 24 und der dritte Gleichspannungswandler 17 bezogen auf den dritten Außenleiter L3 parallel zueinander geschaltet. Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind der dritte Gleichspannungswandler 17 und die erste Heizeinheit 24 zueinander in Reihe geschaltet.
Die zweite Heizeinheit 25 ist elektrisch mit dem zweiten Spannungszwischenkreis 12 verbunden. Insofern sind die zweite Heizeinheit 25, der zweite Gleichspannungswandler 16 und der zweite Gleichspannungskonverter 21 bezogen auf den zweiten Außenleiter L2 parallel zueinander geschaltet. Bezogen auf den ersten Energiespeicher 2 sind der zweite Gleichspannungswandler 16 und die zweite Heizeinheit 25 zueinander in Reihe geschaltet.
Die Heizeinrichtung 23 weist außerdem eine Schalteinrichtung 26 auf. Die Schalteinrichtung 26 ist dazu ausgebildet, die Heizeinheiten 24 und 25 wahlweise elektrisch von den Spannungszwischenkreisen 12 beziehungsweise 13 zu trennen oder elektrisch mit den Spannungszwischenkreisen 12 beziehungsweise 13 zu verbinden. Hierzu weist die Schalteinrichtung 26 zumindest ein der ersten Heizeinheit 24 zugeordnetes erstes Schaltelement und zumindest ein der zweiten Heizeinheit 25 zugeordnetes zweites Schaltelement auf. Die Schaltelemente sind jeweils beispielsweise als MOSFET oder als Relais ausgebildet.
Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem eine nicht dargestellte Kühleinrichtung zum Kühlen von verschiedenen Elementen des Energiemanagementsystems 1 auf. Beispielsweise ist die Kühleinrichtung dazu ausgebildet, die Gleichspannungswandlereinrichtung 14, die Gleichspannungskonvertereinrichtung 19, die Anschlusseinrichtung 4 und/oder die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 zu kühlen. Die Heizeinheiten 24 und 25 sind in Wärmeleitkontakt mit einer Kühlflüssigkeit der Kühleinrichtung, sodass im Betrieb der Heizeinheiten 24 und 25 die Kühlflüssigkeit erwärmt wird. Mittels der Kühlflüssigkeit kann durch die Heizeinheiten 24 und 25 bereitgestellte Wärmeenergie auch zu weiteren Wärmesenken des Kraftfahrzeugs transportiert werden, um diese weiteren Wärmesenken zu erwärmen.
Das Energiemanagementsystem 1 weist außerdem ein Gehäuse 27 auf. In dem Gehäuse 27 sind die Gleichspannungswandlereinrichtung 14, die Gleichspannungskonvertereinrichtung 19 und die Heizeinrichtung 23 angeordnet. Vorliegend sind auch die AC/DC-Wandlereinheiten 8, 9 und 10 in dem Gehäuse 27 angeordnet. Die Anschlusseinrichtung 4 ist abschnittsweise derart in dem Gehäuse 27 angeordnet, dass die Außenleiter LI, L2 und L3 von außerhalb des Gehäuses 27 zugänglich sind. Durch die Anordnung in dem Gehäuse 27 sind die vorstehend genannten Elemente des Energiemanagementsystems 1 einfach als Baugruppe handhabbar.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die Figuren 2 bis 4 verschiedene Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems 1 näher erläutert. Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele haben dabei gemeinsam, dass durch den ersten Energiespeicher 2 die erste Batteriespannung bereitgestellt wird, die vorliegend einen Spannungswert von 800 V aufweist. Die Filter 5, 6 und 7 sowie die EMV-Filter 18 und 22 sind in den Figuren 2 bis 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird mittels der bereitgestellten ersten Batteriespannung der zweite Energiespeicher 3 geladen. Hierzu wandeln die Gleichspannungswandler 15 und 16 die erste Batteriespannung in eine Ausgangsspannung von 400 V. Diese Ausgangsspannung wird dann den Gleichspannungskonvertern 20 und 21 zugeführt und durch die Gleichspannungskonverter 20 und 21 in eine Spannung gewandelt, die der Nennspannung des zweiten Energiespeichers 3 entspricht.
Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Teil der bereitgestellten ersten Batteriespannung der ersten Heizeinheit 24 zu deren Betrieb zugeführt wird. Hierzu ist das der ersten Heizeinheit 24 zugeordnete Schaltelement gemäß diesem Ausführungsbeispiel leitend. Der dritte Gleichspannungswandler 17 wandelt die durch den ersten Energiespeicher 2 bereitgestellte erste Batteriespannung in die Ausgangsspannung von 400 V. Die Ausgangsspannung wird dann der ersten Heizeinheit 24 zu deren Betrieb zugeführt. Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Teil der bereitgestellten ersten Batteriespannung auch der zweiten Heizeinheit 25 zu deren Betrieb zugeführt wird. Dass der zweiten Heizeinheit 25 zugeordnete Schaltelement ist demnach gemäß diesem Ausführungsbeispiel leitend.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die Figuren 5 bis 7 verschiedene Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Energiemanagementsystem 1 näher erläutert. Die in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele haben dabei gemeinsam, dass die Anschlusseinrichtung 4 elektrisch mit einem nicht dargestellten Versorgungsnetz verbunden ist. Durch das Versorgungsnetz wird als Versorgungsspannung eine Wechselspannung in Höhe von 400 V bereitgestellt. Diese Wechselspannung liegt an jedem der Außenleiter LI, L2 und L3 an. Die Filter 5, 6 und 7 sowie die EMV-Filter 18 und 22 sind in den Figuren 5 bis 7 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Gemäß dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden durch die bereitgestellte Versorgungsspannung der erste Energiespeicher 2 und der zweite Energiespeicher 3 geladen. Hierzu wird dem ersten Energiespeicher 2 elektrische Energie mittels des ersten Gleichspannungswandlers 15, des zweiten Gleichspannungswandler 16 und des dritten Gleichspannungswandlers 17 zugeführt. Dem zweiten Energiespeicher 3 wird elektrische Energie mittels des ersten Gleichspannungskonverters 20 und des zweiten Gleichspannungskonverters 21 zugeführt.
Auch gemäß dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem zweiten Energiespeicher 3 elektrische Energie durch den ersten Gleichspannungskonverter 20 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21 zugeführt. Dem ersten Energiespeicher 2 wird lediglich durch den ersten Gleichspannungswandler 15 und den zweiten Gleichspannungswandler 16 elektrische Energie zugeführt. Der dritte Gleichspannungswandler 17 ist inaktiv beziehungsweise nichtleitend. Gemäß dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das der ersten Heizeinheit 24 zugeordnete Schaltelement leitend. Insofern wird durch den dritten Außenleiter L3 zugeführte elektrische Energie der ersten Heizeinheit 24 zu deren Betrieb zugeführt. Auch Gemäß dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem zweiten Energiespeicher 3 elektrische Energie durch den ersten Gleichspannungskonverter 20 und den zweiten Gleichspannungskonverter 21 zugeführt. Dem ersten Energiespeicher 2 wird lediglich durch den ersten
Gleichspannungswandler 15 elektrische Energie zugeführt. Der zweite Gleichspannungswandler 16 und der dritte Gleichspannungswandler 17 sind inaktiv beziehungsweise nichtleitend. Gemäß dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch das der zweiten Heizeinheit 25 zugeordnete Schaltelement leitend. Insofern wird durch den zweiten Außenleiter L2 zugeführte elektrische Energie anteilig dem zweiten Gleichspannungskonverter 21 und anteilig der zweiten Heizeinheit 25 zu deren Betrieb zugeführt.

Claims

Ansprüche
1. Energiemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer zumindest einen ersten Außenleiter (LI) aufweisenden Anschlusseinrichtung (4), mit einem ersten elektrischen Energiespeicher (2), mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher (3), mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (15) aufweisenden Gleichspannungswandlereinrichtung (14), und mit einer zumindest einen ersten Gleichspannungskonverter (20) aufweisenden Gleichspannungskonvertereinrichtung (21), wobei der erste Energiespeicher (2) durch den ersten Gleichspannungswandler (15) elektrisch mit dem ersten Außenleiter (LI) verbunden ist, und wobei der zweite Energiespeicher (3) durch den ersten Gleichspannungskonverter (20) elektrisch mit dem ersten Außenleiter (LI) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (15) und der erste Gleichspannungskonverter (20) bezogen auf den ersten Außenleiter (LI) parallel zueinander geschaltet sind.
2. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Außenleiter (LI) ein erster Spannungszwischenkreis (11) nachgeschaltet ist, wobei der erste Gleichspannungswandler (15) und der erste Gleichspannungskonverter (20) mittels des ersten Spannungszwischenkreises (11) elektrisch mit dem ersten Außenleiter (LI) verbunden sind.
3. Energiemanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusseinrichtung (4) als Dreiphasenwechselstromanschluss (4) mit drei Außenleitern (L1,L2,L3) ausgebildet ist.
4. Energiemanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung (14) mehrere, vorzugsweise drei, Gleichspannungswandler (15,16,17) aufweist, und/oder dass die Gleichspannungskonvertereinrichtung (19) mehrere, vorzugsweise zwei, Gleichspannungskonverter (20,21) aufweist.
5. Energiemanagementsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (15,16,17) mit dem ersten Energiespeicher (2) einerseits und mit einem jeweils anderen der Außenleiter (L1,L2,L3) andererseits elektrisch verbunden sind.
6. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungskonverter (20,21) mit dem zweiten Energiespeicher (3) einerseits und mit einem jeweils anderen der Außenleiter (L1,L2) andererseits elektrisch verbunden sind.
7. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (15,16,17) als Spannungswandler vom Typ Dual-Active-Bridge (DAB) ausgebildet sind, und/oder dass die Gleichspannungskonverter (20,21) als Spannungswandler vom Typ Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) ausgebildet sind.
8. Energiemanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (23), die eine erste Heizeinheit (24) aufweist, wobei die erste Heizeinheit (24) und einer der Gleichspannungswandler (17) bezogen auf einen der Außenleiter (L3) parallel zueinander geschaltet sind.
9. Energiemanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (23) eine zweite Heizeinheit (25) aufweist, wobei die zweite Heizeinheit (25), einer der Gleichspannungswandler (16) und einer der Gleichspannungskonverter (21) bezogen auf einen der Außenleiter (L2) parallel zueinander geschaltet sind.
10. Energiemanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung (14), die Gleichspannungskonvertereinrichtung (19) und optional die Heizeinrichtung (23) in demselben Gehäuse (27) des Energiemanagementsystems (1) angeordnet sind.
11. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (23) zum Kühlen von Elementen des Energiemanagementsystems (1), wobei die Heizeinrichtung (23) in Wärmeleitkontakt mit einer Kühlflüssigkeit der Kühleinrichtung ist.
12. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch ein Energiemanagementsystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Verfahren zum Betreiben eines Energiemanagementsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei durch den ersten Energiespeicher (2) eine elektrische erste Batteriespannung bereitgestellt wird, wobei die erste Batteriespannung durch die Gleichspannungswandlereinrichtung (14) in eine elektrische Ausgangsspannung gewandelt wird, wobei die Ausgangsspannung mittels der Gleichspannungskonvertereinrichtung (19) dem zweiten Energiespeicher (3) zugeführt wird, und/oder wobei die Ausgangsspannung der Heizeinrichtung (23) zu deren Betrieb zugeführt wird.
14. Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu einem Energiemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Anschlusseinrichtung (4) elektrisch mit einem Versorgungsnetz verbunden wird, wobei durch das Versorgungsnetz eine elektrische Versorgungsspannung bereitgestellt wird, wobei die Versorgungsspannung mittels der Gleichspannungswandlereinrichtung (14) dem ersten Energiespeicher (2) zugeführt wird, wobei die Versorgungsspannung mittels der Gleichspannungskonvertereinrichtung (19) dem zweiten Energiespeicher (3) zugeführt wird, und/oder wobei die Versorgungsspannung der Heizeinrichtung (23) zu deren Betrieb zugeführt wird.
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