WO2022207217A1 - Schaltungsanordnung und ladeverfahren für ein elektrisches energiespeichersystem - Google Patents

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WO2022207217A1
WO2022207217A1 PCT/EP2022/055221 EP2022055221W WO2022207217A1 WO 2022207217 A1 WO2022207217 A1 WO 2022207217A1 EP 2022055221 W EP2022055221 W EP 2022055221W WO 2022207217 A1 WO2022207217 A1 WO 2022207217A1
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WO
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switching unit
energy storage
switching
unit
circuit arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/055221
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ian Patrick MOSS
Jochen Weber
Johannes Swoboda
Berengar Krieg
Philipp Heimbucher
Josef Goeppert
Ngoc Ho TRAN
Samuel Vasconcelos Araujo
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US18/552,536 priority patent/US20240186803A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • H02J7/00302—Overcharge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a charging method for an electrical energy storage system according to the preamble of the independent patent claims.
  • DE 102017206834 A1 shows a circuit arrangement and a charging method for an electrical energy storage system.
  • DE 10330834 A1 shows a method and a device for supplying at least one load in the event of a power failure.
  • WO 2011/105794 discloses a hybrid cell system with a serial circuit whose secondary cells can be connected both in series and in parallel.
  • the core of the invention in the circuit arrangement for an electrical energy storage system with a first energy storage unit and a second Energy storage unit, each having a first pole connection and a second pole connection, is that the circuit arrangement has:
  • a fifth switching unit which is arranged between the second pole connection of the first energy storage unit and the first pole connection of the second energy storage unit, wherein the first switching unit is connected to the third switching unit, wherein the second switching unit is connected to the fourth switching unit, wherein at least the first switching unit and the third switching unit and/or the second
  • Switching unit have two anti-series connected arranged semiconductor switching elements.
  • the background to the invention is that semiconductor switching elements are more compact and have a longer service life than mechanical switches and enable greater switching dynamics.
  • charging currents and discharging currents can be interrupted independently of one another.
  • an electrical energy store can be further discharged in a critical operating state in order to carry out a safety action, while the charging currents are interrupted in order to protect the electrical energy store.
  • the energy storage units can be connected in parallel or in series with the electrical component, so that the electrical component can be operated with different voltages.
  • the semiconductor switching elements are advantageously implemented as transistors, in particular power transistors, for example as MOSFETs or IGBTs.
  • the circuit arrangement has at least a first input and a second input for the electrically conductive connection to a voltage source, the first input being connectable to the first switching unit and the third switching unit, in particular by means of a sixth switching unit, the second input being connected to the second switching unit and the fourth switching unit can be connected, in particular by means of a seventh switching unit.
  • the energy storage units can be connected in parallel or in series to the voltage source, so that voltage sources or charging stations with different output voltages can be used to charge the energy storage system.
  • the first pole connection of the first electrical energy storage unit can be connected to the first pole connection of the second electrical energy storage unit by means of the third switching unit, and the second pole connection of the first electrical energy storage unit can be connected to the second pole connection of the second electrical energy storage unit by means of the second switching unit.
  • the second switching unit has a single semiconductor switching element, in particular set up to block in the charging direction
  • the third switching unit has a single semiconductor switching element, in particular set up to block in the charging direction.
  • the second and third switching units can be made compact.
  • the first switching unit and the fourth switching unit each have two semiconductor switching elements connected back-to-back in series, with a first center tap being arranged between the semiconductor switching elements of the first switching unit, with a fourth center tap being arranged between the semiconductor switching elements of the fourth switching unit, with the sixth switching unit is connected to the first center tap and the seventh switching unit is connected to the fourth center tap.
  • the circuit arrangement has a first node, which connects the first switching unit to the third switching unit and the first output, and a second node, which connects the second switching unit to the fourth switching unit and the second output.
  • the sixth switching unit is arranged between the first node and the first input and the seventh switching unit is arranged between the second node and the second input.
  • the energy storage system can thus be connected to both the inputs and the outputs via the two nodes.
  • the first switching unit, the second switching unit, the third switching unit and the fourth switching unit each have two semiconductor switching elements connected back-to-back in series, with a first center tap being arranged between the semiconductor switching elements of the first switching unit, with a second center tap being arranged between the semiconductor switching elements of the second switching unit center tap is arranged, with a third center tap being arranged between the semiconductor switching elements of the third switching unit, with a fourth center tap being arranged between the semiconductor switching elements of the fourth switching unit, with the sixth switching unit being connected to the first center tap and the third center tap and the seventh switching unit being connected to the second center tap and the fourth center tap is connected.
  • the advantage here is that the inputs can be decoupled from the outputs, so that the connected to the outputs electrical component can be protected from the charging voltages during the charging process.
  • the first switching unit and the third switching unit each have a mechanical switching element or the second switching unit and the fourth switching unit each have a mechanical switching element or the second switching unit and the third switching unit each have a mechanical switching element.
  • the second switching unit has only a single semiconductor switching element, in particular that is set up to block in the charging direction
  • the fourth switching unit also has only a single semiconductor switching element, in particular that is set up to block in the charging direction, with between the first Pole connection of the first energy storage unit and the first switching unit, a first fuse is arranged, wherein a second fuse is arranged between the second pole connection of the second energy storage unit and the fourth switching unit.
  • the first fuse and/or the second fuse is designed as a relay or pyrotechnic switch.
  • the backup can be executed irreversibly or reversibly.
  • the fifth switching unit and/or the sixth switching unit and/or the seventh switching unit each has a single semiconductor switching element, in particular which is set up to block in the discharge direction. As a result, these switching units can be designed in a simplified manner.
  • the fifth switching unit and/or the sixth switching unit and/or the seventh switching unit can each be arranged in two pairs connected back-to-back in series Have semiconductor switching elements.
  • these switching units can lock either in the charging direction and/or in the discharging direction.
  • the fifth switching unit and/or the sixth switching unit and/or the seventh switching unit can have a mechanical switching element, in particular a relay or contactor.
  • a mechanical switching element in particular a relay or contactor.
  • one of the semiconductor switching elements arranged in anti-series connection is set up to block in the charging direction, and the respective other of the semiconductor switching elements arranged in anti-series connection is set up to block in the discharging direction.
  • the respective semiconductor switching elements can be controlled in a targeted manner, so that the energy storage system can be discharged but not charged at a point in time, for example.
  • the source connections or the drain connections of the semiconductor switching elements arranged back-to-back are connected to one another.
  • the arrangement can be selected depending on the application of the switching arrangement.
  • the core of the invention in the electrical energy storage system with at least two electrical energy storage units is that the electrical energy storage system has a circuit arrangement as described above or according to one of the claims directed to the circuit arrangement.
  • the core of the invention when using a circuit arrangement as described above or according to one of the claims directed to the circuit arrangement is that the circuit arrangement is used in an electrically driven vehicle or in a hybrid vehicle.
  • the background to the invention is that the vehicle can be charged using various DC voltage sources.
  • the vehicle can be designed as a land vehicle and/or water vehicle and/or aircraft, which has an electric drive and optionally an additional internal combustion engine as a drive.
  • the vehicle can therefore be designed as a purely electrically driven vehicle or as a hybrid vehicle.
  • An electrical energy storage unit can be understood in particular as an electrochemical battery cell and/or a battery module with at least one electrochemical battery cell and/or a battery pack with at least one battery module.
  • Energy storage unit be a lithium battery cell or a lithium battery module or a lithium battery pack.
  • the electrical energy storage unit can be a lithium-ion battery cell or a lithium-ion battery module or a lithium-ion battery pack.
  • the battery cell can be of the lithium-polymer accumulator, nickel-metal hydride accumulator,
  • Lead-acid accumulator lithium-air accumulator or lithium-sulfur accumulator or, more generally, an accumulator of any electrochemical composition.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 7 shows a seventh exemplary embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 8 shows an eighth exemplary embodiment of a device according to the invention
  • Circuit arrangement of an electrical energy storage system 81 is provided.
  • FIG. 1 A first embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an energy storage system 1 is shown in FIG.
  • the energy storage system 1 has a first energy storage unit 2 and a second energy storage unit 4, each having an energy storage cell.
  • the respective energy storage unit (2, 4) can also have several energy storage cells connected in series or a combination of energy storage cells connected in series and in parallel or energy storage cells connected in parallel.
  • Each energy storage unit (2, 4) has a first, in particular positive, pole connection (PI, P4) and a second, in particular negative, pole connection (P3, P2) and a current sensor 3.
  • the energy storage system 1 can be electrically conductively connected to a voltage source 7 by means of a first input E1 and a second input E2.
  • a first switching unit S1 and a sixth switching unit S6 are arranged between the first input El and the first pole connection PI of the first energy storage unit 2 .
  • a first node Kl is arranged between the first switching unit S1 and the sixth switching unit S6, with the first switching unit S1 being arranged between the first node Kl and the first pole connection PI of the first energy storage unit 2 and the sixth switching unit S6 between the first node Kl and the first input El is arranged.
  • a third switching unit S3 is arranged between the first node Kl and the first pole connection P4 of the second energy storage unit 4 .
  • the first node Kl thus connects the first switching unit S1 to the third switching unit S3 and the sixth switching unit S6.
  • connected is understood to be electrically conductive or electrically conductively connected
  • connectable is understood to be electrically conductive or electrically conductively connectable.
  • a second switching unit S2 and a seventh switching unit S7 are arranged between the second input E2 and the second pole connection P3 of the first energy storage unit 2 .
  • a second node K2 is arranged between the second switching unit S2 and the seventh switching unit S7, with the second switching unit S2 being arranged between the second node K2 and the second pole connection P3 of the first energy storage unit 2 and the seventh switching unit S7 between the second node K2 and the second input E2 is arranged.
  • a fourth switching unit S4 is arranged between the second node K2 and the second pole connection P2 of the second energy storage unit 4 . The second node K2 thus connects the second switching unit S1 to the fourth switching unit S4 and the seventh switching unit S7.
  • the energy storage units (2, 4) can be connected in series by means of a fifth switching unit S5.
  • the fifth switching unit S5 is arranged between the second pole connection P3 of the first energy storage unit 2 and the first pole connection P4 of the second energy storage unit 4 .
  • the second pole connection P3 of the first energy storage unit 2 and the first pole connection P4 of the second energy storage unit 4 can be electrically conductively connected.
  • the fifth switching unit S5 is closed and the second switching unit S2 and the third switching unit S3 are open.
  • the fifth switching unit S5 is open and the second switching unit S2 and the third switching unit S3 are closed.
  • the respective switching units each have at least one semiconductor switching element, in particular one Transistor, in particular a power transistor, in particular a MOSFET or an IGBT.
  • the first switching unit S1, the second switching unit S2, the third switching unit S3 and the fourth switching unit S4 each have two semiconductor switching elements which are arranged back-to-back in series.
  • One semiconductor switching element each of these switching units acts as a discharge switch (Sld, S2d, S3d, S4d) and the respective other semiconductor switching element acts as a charging switch (Sic, S2c, S3c, S4c).
  • the discharging switches (Sld, S2d, S3d, S4d) are set up to interrupt the flow of current in the discharging direction
  • the charging switches Sic, S2c, S3c, S4c) are set up to interrupt the flow of current in the charging direction.
  • the two semiconductor switching elements are arranged next to one another in such a way that the source connections of the two semiconductor switching elements are connected to one another (common source) or that the drain connections of the two semiconductor switching elements are connected to one another (common drain).
  • Discharging direction is understood to mean the current flow direction in the circuit arrangement when the electrical energy storage system is being discharged.
  • the charging direction is understood to mean the direction of current flow in the circuit arrangement when the electrical energy storage system is being charged.
  • the fifth switching unit S5, the sixth switching unit S6 and the seventh switching unit S7 each have only one semiconductor switching element.
  • the respective semiconductor switching element of these switching units acts as a discharge switch (S5d, S6d, S7).
  • the fifth switching unit S5 and/or the sixth switching unit S6 and/or the seventh switching unit S7 can also each have two semiconductor switching elements which are arranged back-to-back in series.
  • the fifth switching unit S5 and/or the sixth switching unit S6 and/or the seventh switching unit S7 can have a mechanical switching element, in particular a contactor or a relay.
  • the energy storage system 1 can be electrically conductively connected to an electrical component 6 that can be fed from the energy storage system 1 by means of a first output A1 and a second output A2.
  • the first output Al is connected to the first node Kl and the second output A2 is connected to the second node K2.
  • the circuit arrangement according to the invention for an energy storage system 1 can be used, for example, for an electric motor of a vehicle.
  • the outputs (A1, A2) of the energy storage system 1 are connected to a vehicle board network.
  • circuit arrangement for an energy storage system 1 is also possible in energy technology, for example in wind energy technology or solar energy technology or hydropower energy technology, or for buffer storage.
  • FIG. 1 A second embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an energy storage system 11 is shown in FIG.
  • the second embodiment of the circuit arrangement according to the invention has a first center tap M1, a second center tap M2, a third center tap M3 and a fourth center tap M4.
  • the first center tap Ml is arranged between the first charging switch and the first discharging switch of the first switching unit S1.
  • the second center tap M2 is arranged between the second charging switch and the second discharging switch of the second switching unit S2.
  • the third center tap M3 is arranged between the third charging switch and the third discharging switch of the third switching unit S3.
  • the fourth center tap M4 is arranged between the fourth charging switch and the fourth discharging switch of the fourth switching unit S4.
  • the first pole connection P4 of the second energy storage unit 4 is connected by means of the third center tap M3 and the first center tap Ml and the sixth Switching unit S6 can be connected to the first pole connection PI of the first energy storage unit 2 and the first input El.
  • the second pole connection P3 of the first energy storage unit 2 can be connected to the second pole connection P2 of the second energy storage unit 4 and the second input E2 by means of the second center tap M2 and the fourth center tap M4 and the seventh switching unit S7.
  • the respective discharge switch (Sld, S2d, S3d, S4d) is arranged between the respective pole connection (PI, P2, P3, P4) and the respective center tap (Ml, M2, M3, M4) and the respective charging switch (Sic, S2c, S3c, S4c) is arranged between the respective center tap (M1, M2, M3, M4) and the respective input (E1, E2).
  • the first node K1 is not directly connected to the sixth switching unit S6, and the second node K2 is not directly connected to the seventh switching unit S7.
  • FIG. 1 A third embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an energy storage system 21 is shown in FIG.
  • the third embodiment of the circuit arrangement differs from the first embodiment in that, instead of the first switching unit S1, a first mechanical switching element Slm is arranged between the first pole connection PI of the first energy storage unit 2 and the first node Kl. Instead of the third switching unit S3, a third mechanical switching element S3m is arranged between the first pole connection P4 of the second energy storage unit 4 and the first node Kl.
  • the respective mechanical switching element (Slm, S3m) can be implemented as a contactor or relay.
  • a second mechanical switching element can be arranged instead of the second switching unit S2 and a fourth mechanical switching element can be arranged in the circuit arrangement instead of the fourth switching unit S4. while the first switching unit S1 and the third switching unit S3 each have two semiconductor switching elements which are arranged back-to-back in series.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an electrical energy storage system 31.
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment in that the second switching unit S2 has only a second charging switch S2c and no second discharging switch S2d, and the fourth switching unit S4 has only a fourth charging switch S4c and no fourth discharging switch S4d.
  • the circuit arrangement has a first fuse 38 and a second fuse 39 for this purpose.
  • the respective fuse (38, 39) can be designed, for example, as a pyrotechnic switching element.
  • the first fuse 38 is arranged between the first pole connection PI of the first energy storage unit 2 and the first switching unit S1.
  • the first fuse 38 is set up to interrupt a discharge current to the first output Al.
  • the second fuse 30 is arranged between the second pole connection P2 of the second energy storage unit 4 and the fourth switching unit S4.
  • the second fuse 39 is set up to interrupt a discharge current to the second output A2.
  • FIG. 41 A fifth exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an electrical energy storage system 41 is shown in FIG.
  • the fifth exemplary embodiment differs from the previous exemplary embodiments in that the first pole connection PI of the first energy storage unit 2 can be connected to the first pole connection P4 of the second energy storage unit 4 by means of the third switching unit S3, and that the second pole connection P3 of the first energy storage unit 2 can be connected by means of the second switching unit S2 can be connected to the second pole connection P2 of the second energy storage unit 4 .
  • the first node Kl connects the first switching unit S1 to the first output Al and the first input El.
  • the second node K2 connects the fourth switching unit S4 to the second output A2 and the second input E2.
  • the first switching unit S1 and the fourth switching unit S4 each have two semiconductor switching elements.
  • the respective two semiconductor switching elements are arranged in such a way that the respective drain connections are connected to one another.
  • the second switching unit S2, the third switching unit S3, the fifth switching unit S5, the sixth switching unit S6 and the seventh switching unit S7 each have a single semiconductor switching element.
  • FIG. 51 A sixth exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an electrical energy storage system 51 is shown in FIG.
  • the sixth exemplary embodiment differs from the fifth exemplary embodiment in that the second switching unit S2, the third switching unit S3, the fifth switching unit S5, the sixth switching unit S6 and the seventh switching unit S7 each have a mechanical switching element.
  • FIG. 6 A seventh exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an electrical energy storage system 61 is shown in FIG.
  • the seventh exemplary embodiment differs from the sixth exemplary embodiment in that the semiconductor switching elements arranged back-to-back in series are arranged in such a way that the respective source connections of the two semiconductor switching elements are connected to one another.
  • An eighth exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention for an electrical energy storage system 71 is shown in FIG.
  • the eighth exemplary embodiment differs from the fifth exemplary embodiment in that a first center tap M1, which connects the first input El to the first switching unit S1, is arranged between the semiconductor switching elements of the first switching unit S1.
  • the first output Al is connected directly to the first switching unit S1.
  • a first center tap M1 which connects the first input El to the first switching unit S1
  • the first output Al is connected directly to the first switching unit S1.
  • Fig. 9 is a ninth embodiment of the invention
  • Circuit arrangement for an electrical energy storage system 81 is shown.
  • the ninth exemplary embodiment differs from the eighth exemplary embodiment in that the second switching unit S2, the third switching unit S3, the fifth switching unit S5, the sixth switching unit S6 and the seventh switching unit S7 each have a mechanical switching element.

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Abstract

Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem mit einer ersten Energiespeichereinheit und einer zweiten Energiespeichereinheit, die jeweils einen ersten Polanschluss und einen zweiten Polanschluss aufweisen, aufweisend: mindestens einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zur elektrisch leitenden Verbindung mit zumindest einer elektrischen Komponente, eine erste Schalteinheit, die zwischen dem ersten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem ersten Ausgang angeordnet ist, eine zweite Schalteinheit, die zwischen dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem zweiten Ausgang angeordnet ist, eine dritte Schalteinheit, die zwischen dem ersten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit und dem ersten Ausgang angeordnet ist, eine vierte Schalteinheit, die zwischen dem zweiten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit und dem zweiten Ausgang angeordnet ist, eine fünfte Schalteinheit, die zwischen dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem ersten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit angeordnet ist, wobei die erste Schalteinheit mit der dritten Schalteinheit verbunden ist, wobei die zweite Schalteinheit mit der vierten Schalteinheit verbunden ist, wobei zumindest die erste und die dritte Schalteinheit und/oder die zweite und die vierte Schalteinheit oder die erste und die vierte Schalteinheit zwei antiseriellgeschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen.

Description

Beschreibung
Titel
Schaltungsanordnung und Ladeverfahren für ein elektrisches
Energiespeichersystem
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung und ein Ladeverfahren für ein elektrisches Energiespeichersystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
DE 102017206834 Al zeigt eine Schaltungsanordnung und ein Ladeverfahren für ein elektrisches Energiespeichersystem.
DE 10330834 Al zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens einer Last bei Netzausfall.
WO 2011/105794 offenbart ein hybrides Zellsystem mit einem seriellen Schaltkreis, dessen Sekundärzellen sowohl seriell als auch parallelgeschaltet werden können.
Offenbarung der Erfindung
Der Kern der Erfindung bei der Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem mit einer ersten Energiespeichereinheit und einer zweiten Energiespeichereinheit, die jeweils einen ersten Polanschluss und einen zweiten Polanschluss aufweisen, besteht darin, dass die Schaltungsanordnung aufweist:
- mindestens einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zur elektrisch leitenden Verbindung mit zumindest einer elektrischen Komponente,
- eine erste Schalteinheit, die zwischen dem ersten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem ersten Ausgang angeordnet ist,
- eine zweite Schalteinheit, die zwischen dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem zweiten Ausgang angeordnet ist,
- eine dritte Schalteinheit, die zwischen dem ersten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit und dem ersten Ausgang angeordnet ist,
- eine vierte Schalteinheit, die zwischen dem zweiten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit und dem zweiten Ausgang angeordnet ist,
- eine fünfte Schalteinheit, die zwischen dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem ersten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit angeordnet ist, wobei die erste Schalteinheit mit der dritten Schalteinheit verbunden ist, wobei die zweite Schalteinheit mit der vierten Schalteinheit verbunden ist, wobei zumindest die erste Schalteinheit und die dritte Schalteinheit und/oder die zweite
Schalteinheit und die vierte Schalteinheit oder die erste Schalteinheit und die vierte
Schalteinheit zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen.
Hintergrund der Erfindung ist, dass Halbleiterschaltelemente kompakter und langlebiger sind als mechanische Schalter und eine höhere Schaltdynamik ermöglichen. Mittels der antiseriell geschalteten Anordnung von zwei Halbleiterschaltelementen sind Ladeströme und Entladeströme unabhängig voneinander unterbrechbar. Dadurch kann ein elektrischer Energiespeicher in einem kritischen Betriebszustand weiter entladen werden, um eine Sicherheitsaktion auszuführen, während die Ladeströme unterbrochen werden um den elektrischen Energiespeicher zu schonen.
Vorteilhafterweise sind die Energiespeichereinheiten in Parallelschaltung oder in Reihenschaltung mit der elektrischen Komponente verbindbar, so dass die elektrische Komponente mit verschiedenen Spannungen betrieben werden kann. Vorteilhafterweise sind die Halbleiterschaltelemente als Transistoren, insbesondere Leistungstransistoren, beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs, ausgeführt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung mindestens einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zur elektrisch leitenden Verbindung mit einer Spannungsquelle auf, wobei der erste Eingang mit der ersten Schalteinheit und der dritten Schalteinheit verbindbar ist, insbesondere mittels einer sechsten Schalteinheit, wobei der zweite Eingang mit der zweiten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit verbindbar ist, insbesondere mittels einer siebten Schalteinheit. Dadurch sind die Energiespeichereinheiten in Parallelschaltung oder in Reihenschaltung mit der Spannungsquelle verbindbar, so dass Spannungsquellen beziehungsweise Ladestationen mit verschiedenen Ausgangsspannungen zum Laden des Energiespeichersystems verwendet werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Polanschluss der ersten elektrischen Energiespeichereinheit mittels der dritten Schalteinheit mit dem ersten Polanschluss der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit verbindbar und der zweite Polanschluss der ersten elektrischen Energiespeichereinheit ist mittels der zweiten Schalteinheit mit dem zweiten Polanschluss der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit verbindbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass zum Abtrennen der elektrischen Energiespeichereinheiten von den Eingängen und den Ausgängen lediglich die erste und vierte Schalteinheit geöffnet werden müssen.
Von Vorteil ist es dabei, wenn die zweite Schalteinheit ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, und die dritte Schalteinheit ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren. Dadurch können die zweite und dritte Schalteinheit kompakt ausgeführt werden. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die erste Schalteinheit und die vierte Schalteinheit jeweils zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der ersten Schalteinheit ein erster Mittelabgriff angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der vierten Schalteinheit ein vierter Mittelabgriff angeordnet ist, wobei die sechste Schalteinheit mit dem ersten Mittelabgriff verbunden ist und die siebte Schalteinheit mit dem vierten Mittelabgriff verbunden ist. Dadurch sind die Eingänge von den Ausgängen entkoppelbar, so dass die mit den Ausgängen verbundene elektrische Komponente während des Ladevorgangs vor den Ladespannungen geschützt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung einen ersten Knotenpunkt, der die erste Schalteinheit mit der dritten Schalteinheit und dem ersten Ausgang verbindet, und einen zweiten Knotenpunkt, der die zweite Schalteinheit mit der vierten Schalteinheit und dem zweiten Ausgang verbindet, auf.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die sechste Schalteinheit zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem ersten Eingang angeordnet ist und die siebte Schalteinheit zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem zweiten Eingang angeordnet ist. Somit ist das Energiespeichersystem über die zwei Knotenpunkte sowohl mit den Eingängen als auch mit den Ausgängen verbindbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die erste Schalteinheit, die zweite Schalteinheit, die dritte Schalteinheit und die vierte Schalteinheit jeweils zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente auf, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der ersten Schalteinheit ein erster Mittelabgriff angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der zweiten Schalteinheit ein zweiter Mittelabgriff angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der dritten Schalteinheit ein dritter Mittelabgriff angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der vierten Schalteinheit ein vierter Mittelabgriff angeordnet ist, wobei die sechste Schalteinheit mit dem ersten Mittelabgriff und dem dritten Mittelabgriff verbunden ist und die siebte Schalteinheit mit dem zweiten Mittelabgriff und dem vierten Mittelabgriff verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Eingänge von den Ausgängen entkoppelbar sind, so dass die mit den Ausgängen verbundene elektrische Komponente während des Ladevorgangs vor den Ladespannungen geschützt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die erste Schalteinheit und die dritte Schalteinheit jeweils ein mechanisches Schaltelement auf oder die zweite Schalteinheit und die vierte Schalteinheit weisen jeweils ein mechanisches Schaltelement auf oder die zweite Schalteinheit und die dritte Schalteinheit weisen jeweils ein mechanisches Schaltelement auf. Dadurch sind die Vorteile der Halbleiterschaltelemente mit den Vorteilen der mechanischen Schaltelemente kombinierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Schalteinheit nur ein einziges Halbleiterschaltelement auf, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, und die vierte Schalteinheit weist ebenfalls nur ein einziges Halbleiterschaltelement auf, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, wobei zwischen dem ersten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und der ersten Schalteinheit eine erste Sicherung angeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit und der vierten Schalteinheit eine zweite Sicherung angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die zweite und vierte Schalteinheit vereinfacht ausführbar sind. Dabei wird eine Unterbrechung der Schaltanordnung in Entladerichtung durch die Sicherungen ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist die erste Sicherung und/oder die zweite Sicherung als Relais oder pyrotechnischer Schalter ausgeführt. Somit ist die Sicherung je nach Anwendungsfall irreversibel oder reversibel ausführbar.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die fünfte Schalteinheit und/oder die sechste Schalteinheit und/oder die siebte Schalteinheit jeweils ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Entladerichtung zu sperren. Dadurch können diese Schalteinheiten vereinfacht ausgeführt werden.
Eine zusätzliche Sicherung ist in diesen Fällen nicht zwangsläufig erforderlich, da diese Schalteinheiten nur in Entladerichtung sperren können müssen.
Alternativ kann die fünfte Schalteinheit und/oder die sechste Schalteinheit und/oder die siebte Schalteinheit jeweils zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen. Somit können diese Schalteinheiten wahlweise in Laderichtung und/oder in Entladerichtung sperren.
Weiter alternativ kann die fünfte Schalteinheit und/oder die sechste Schalteinheit und/oder die siebte Schalteinheit ein mechanisches Schaltelement, insbesondere ein Relais oder Schütz, aufweisen. Dadurch sind die Vorteile der Halbleiterschaltelemente mit den Vorteilen der mechanischen Schaltelemente kombinierbar.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn jeweils eines der antiseriell geschaltet angeordneten Halbleiterschaltelemente eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, und das jeweils andere der antiseriell geschaltet angeordneten Halbleiterschaltelemente eingerichtet ist, in Entladerichtung zu sperren. Dabei können die jeweiligen Halbleiterschaltelemente gezielt angesteuert werden, so dass das Energiespeichersystem beispielsweise zu einem Zeitpunkt entladen aber nicht geladen werden kann.
Vorteilhafterweise sind die Quellanschlüsse oder die Abflussanschlüsse der antiseriell angeordneten Halbleiterschaltelemente miteinander verbunden. Die Anordnung ist in Abhängigkeit von der Applikation der Schaltanordnung wählbar.
Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeichersystem mit mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten, besteht darin, dass das elektrische Energiespeichersystem eine Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben beziehungsweise gemäß einem der auf die Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche aufweist.
Der Kern der Erfindung bei der Verwendung einer Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben beziehungsweise gemäß einem der auf die Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche besteht darin, dass die Schaltungsanordnung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung ist, dass das Fahrzeug mittels verschiedener Gleichspannungsquellen geladen werden kann. Somit ist die Verfügbarkeit von Ladestationen für das Fahrzeug verbessert. Das Fahrzeug kann als Landfahrzeug und/oder Wasserfahrzeug und/oder Luftfahrzeug ausgeführt sein, das einen elektrischen Antrieb und gegebenenfalls zusätzlich einen Verbrennungsmotor als Antrieb aufweist. Das Fahrzeug kann also als rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgeführt sein.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische
Energiespeichereinheit eine Lithium-Batteriezelle oder ein Lithium-Batteriemodul oder ein Lithium-Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen- Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator,
Blei-Säure- Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 1;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 11;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 21;
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 31;
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 41;
Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 51;
Fig. 7 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 61;
Fig. 8 ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 71 und
Fig. 9 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems 81.
Ausführungsformen der Erfindung Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 1 dargestellt.
Das Energiespeichersystem 1 weist eine erste Energiespeichereinheit 2 und eine zweite Energiespeichereinheit 4 auf, die jeweils eine Energiespeicherzelle aufweisen. Die jeweilige Energiespeichereinheit (2, 4) kann auch mehrere Energiespeicherzellen in Reihenschaltung oder eine Kombination von Energiespeicherzellen in Reihenschaltung und Parallelschaltung oder eine Parallelschaltung von Energiespeicherzellen aufweisen.
Jede Energiespeichereinheit (2, 4) weist jeweils einen ersten, insbesondere positiven, Polanschluss (PI, P4) und einen zweiten, insbesondere negativen, Polanschluss (P3, P2) und einen Stromsensor 3 auf.
Das Energiespeichersystem 1 ist mittels eines ersten Eingangs El und eines zweiten Eingangs E2 mit einer Spannungsquelle 7 elektrisch leitend verbindbar. Zwischen dem ersten Eingang El und dem ersten Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit 2 sind eine erste Schalteinheit S1 und eine sechste Schalteinheit S6 angeordnet. Zwischen der ersten Schalteinheit S1 und der sechsten Schalteinheit S6 ist ein erster Knotenpunkt Kl angeordnet, wobei die erste Schalteinheit S1 zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem ersten Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit 2 angeordnet ist und die sechste Schalteinheit S6 zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem ersten Eingang El angeordnet ist. Zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem ersten Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit 4 ist eine dritte Schalteinheit S3 angeordnet. Der erste Knotenpunkt Kl verbindet also die erste Schalteinheit S1 mit der dritten Schalteinheit S3 und der sechsten Schalteinheit S6. Hierbei wird unter verbunden elektrisch leitend oder elektrisch leitfähig verbunden verstanden, unter verbindbar wird elektrisch leitend oder elektrisch leitfähig verbindbar verstanden.
Zwischen dem zweiten Eingang E2 und dem zweiten Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit 2 sind eine zweite Schalteinheit S2 und eine siebte Schalteinheit S7 angeordnet. Zwischen der zweiten Schalteinheit S2 und der siebten Schalteinheit S7 ist ein zweiter Knotenpunkt K2 angeordnet, wobei die zweite Schalteinheit S2 zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem zweiten Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit 2 angeordnet ist und die siebte Schalteinheit S7 zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem zweiten Eingang E2 angeordnet ist. Zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit 4 ist eine vierte Schalteinheit S4 angeordnet. Der zweite Knotenpunkt K2 verbindet also die zweite Schalteinheit S1 mit der vierten Schalteinheit S4 und der siebten Schalteinheit S7.
Die Energiespeichereinheiten (2, 4) sind mittels einer fünften Schalteinheit S5 in Reihe schaltbar. Dazu ist die fünfte Schalteinheit S5 zwischen dem zweiten Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit 2 und dem ersten Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit 4 angeordnet. Dadurch sind der zweite Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit 2 und der erste Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit 4 elektrisch leitend verbindbar.
Zur Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten (2, 4) ist die fünfte Schalteinheit S5 geschlossen und die zweite Schalteinheit S2 und die dritte Schalteinheit S3 sind geöffnet.
Zur Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten (2, 4) ist die fünfte Schalteinheit S5 geöffnet und die zweite Schalteinheit S2 und die dritte Schalteinheit S3 sind geschlossen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weisen die jeweiligen Schalteinheiten (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S7) jeweils zumindest ein Halbleiterschaltelement, insbesondere einen Transistor, insbesondere einen Leistungstransistor, insbesondere einen MOSFET oder einen IGBT, auf.
Dabei weisen die erste Schalteinheit Sl, die zweite Schalteinheit S2, die dritte Schalteinheit S3 und die vierte Schalteinheit S4 jeweils zwei Halbleiterschaltelemente auf, die antiseriell geschaltet angeordnet sind. Jeweils ein Halbleiterschaltelement dieser Schalteinheiten (Sl, S2, S3, S4) fungiert als Entladeschalter (Sld, S2d, S3d, S4d) und das jeweilige andere Halbleiterschaltelement fungiert als Ladeschalter (Sic, S2c, S3c, S4c). Dabei sind die Entladeschalter (Sld, S2d, S3d, S4d) eingerichtet, den Stromfluss in Entladerichtung zu unterbrechen, und die Ladeschalter (Sic, S2c, S3c, S4c) sind eingerichtet, den Stromfluss in Laderichtung zu unterbrechen.
Die zwei Halbleiterschaltelemente sind derart nebeneinander angeordnet, dass die Quellanschlüsse der beiden Halbleiterschaltelemente miteinander verbunden sind (common-source) oder dass die Abflussanschlüsse der beiden Halbleiterschaltelemente miteinander verbunden sind (common-drain).
Unter Entladerichtung wird dabei die Stromflussrichtung in der Schaltungsanordnung verstanden, wenn das elektrische Energiespeichersystem entladen wird. Unter Laderichtung wird die Stromflussrichtung in der Schaltungsanordnung verstanden, wenn das elektrische Energiespeichersystem geladen wird.
Die fünfte Schalteinheit S5, die sechste Schalteinheit S6 und die siebte Schalteinheit S7 weisen jeweils nur ein Halbleiterschaltelement auf. Das jeweilige Halbleiterschaltelement dieser Schalteinheiten fungiert als Entladeschalter (S5d, S6d, S7).
Gemäß einem in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die fünfte Schalteinheit S5 und/oder die sechste Schalteinheit S6 und/oder die siebte Schalteinheit S7 auch jeweils zwei Halbleiterschaltelemente aufweisen, die antiseriell geschaltet angeordnet sind. Alternativ können die die fünfte Schalteinheit S5 und/oder die sechste Schalteinheit S6 und/oder die siebte Schalteinheit S7 ein mechanisches Schaltelement, insbesondere ein Schütz oder ein Relais, aufweisen. Das Energiespeichersystem 1 ist mittels eines ersten Ausgangs Al und eines zweiten Ausgangs A2 mit einer aus dem Energiespeichersystem 1 speisbaren elektrischen Komponente 6 elektrisch leitend verbindbar. Der erste Ausgang Al ist mit dem ersten Knotenpunkt Kl verbunden und der zweite Ausgang A2 ist mit dem zweiten Knotenpunkt K2 verbunden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 1 ist beispielsweise für einen Elektromotor eines Fahrzeugs verwendbar. Dazu sind die Ausgänge (Al, A2) des Energiespeichersystems 1 mit einem Fahrzeugboardnetz verbunden.
Die beschriebene Verwendung einer Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 1 ist auch in der Energietechnik möglich, beispielsweise in der Windenergietechnik oder Solarenergietechnik oder Wasserkraftenergietechnik, oder für Pufferspeicher.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 11 dargestellt.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist zusätzlich zu der ersten Ausführungsform einen ersten Mittelabgriff Ml, einen zweiten Mittelabgriff M2, einen dritten Mittelabgriff M3 und einen vierten Mittelabgriff M4 auf.
Der erste Mittelabgriff Ml ist zwischen dem ersten Ladeschalter und dem ersten Entladeschalter der ersten Schalteinheit S1 angeordnet. Der zweite Mittelabgriff M2 ist zwischen dem zweiten Ladeschalter und dem zweiten Entladeschalter der zweiten Schalteinheit S2 angeordnet. Der dritte Mittelabgriff M3 ist zwischen dem dritten Ladeschalter und dem dritten Entladeschalter der dritten Schalteinheit S3 angeordnet. Der vierte Mittelabgriff M4 ist zwischen dem vierten Ladeschalter und dem vierten Entladeschalter der vierten Schalteinheit S4 angeordnet.
Der erste Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit 4 ist mittels des dritten Mittelabgriffs M3 und des ersten Mittelabgriffs Ml und der sechsten Schalteinheit S6 mit dem ersten Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit 2 und dem ersten Eingang El verbindbar.
Der zweite Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit 2 ist mittels des zweiten Mittelabgriffs M2 und des vierten Mittelabgriffs M4 und der siebten Schalteinheit S7 mit dem zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit 4 und dem zweiten Eingang E2 verbindbar.
Dabei ist der jeweilige Entladeschalter (Sld, S2d, S3d, S4d) zwischen dem jeweiligen Polanschluss (PI, P2, P3, P4) und dem jeweiligen Mittelabgriff (Ml, M2, M3, M4) angeordnet und der jeweilige Ladeschalter (Sic, S2c, S3c, S4c) ist zwischen dem jeweiligen Mittelabgriff (Ml, M2, M3, M4) und dem jeweiligen Eingang (El, E2) angeordnet.
Im Gegenteil zum ersten Ausführungsbeispiel ist der erste Knotenpunkt Kl nicht unmittelbar mit der sechsten Schalteinheit S6 verbunden und der zweite Knotenpunkt K2 ist nicht unmittelbar mit der siebten Schalteinheit S7 verbunden.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 21 dargestellt.
Die dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass statt der ersten Schalteinheit S1 ein erstes mechanisches Schaltelement Slm zwischen dem ersten Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit 2 und dem ersten Knotenpunkt Kl angeordnet ist. Statt der dritten Schalteinheit S3 ist ein drittes mechanisches Schaltelement S3m zwischen dem ersten Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit 4 und dem ersten Knotenpunkt Kl angeordnet. Das jeweilige mechanische Schaltelement (Slm, S3m) ist als Schütz oder Relais ausführbar.
Gemäß einem in den Figuren nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel kann statt der zweiten Schalteinheit S2 ein zweites mechanisches Schaltelement und statt der vierten Schalteinheit S4 ein viertes mechanisches Schaltelement in der Schaltungsanordnung angeordnet sein, während die erste Schalteinheit S1 und die dritte Schalteinheit S3 jeweils zwei Halbleiterschaltelemente aufweisen, die antiseriell geschaltet angeordnet sind.
In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem 31 gezeigt.
Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die zweite Schalteinheit S2 nur einen zweiten Ladeschalter S2c und keinen zweiten Entladeschalter S2d aufweist und die vierte Schalteinheit S4 nur einen vierten Ladeschalter S4c und keinen vierten Entladeschalter S4d aufweist. Dafür weist die Schaltungsanordnung eine erste Sicherung 38 und eine zweite Sicherung 39 auf. Die jeweilige Sicherung (38, 39) ist beispielsweise als pyrotechnisches Schaltelement ausführbar.
Die erste Sicherung 38 ist zwischen dem ersten Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit 2 und der ersten Schalteinheit S1 angeordnet. Die erste Sicherung 38 ist eingerichtet, einen Entladestrom zu dem ersten Ausgang Al zu unterbrechen.
Die zweite Sicherung 30 ist zwischen dem zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit 4 und der vierten Schalteinheit S4 angeordnet. Die zweite Sicherung 39 ist eingerichtet, einen Entladestrom zu dem zweiten Ausgang A2 zu unterbrechen.
In Fig. 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem 41 dargestellt.
Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen dadurch, dass der erste Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit 2 mittels der dritten Schalteinheit S3 mit dem ersten Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit 4 verbindbar ist und dass der zweite Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit 2 mittels der zweiten Schalteinheit S2 mit dem zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit 4 verbindbar ist. Der erste Knotenpunkt Kl verbindet die erste Schalteinheit S1 mit dem ersten Ausgang Al und dem ersten Eingang El.
Der zweite Knotenpunkt K2 verbindet die vierte Schalteinheit S4 mit dem zweiten Ausgang A2 und dem zweiten Eingang E2.
Im fünften Ausführungsbeispiel der Schaltanordnung weisen die erste Schalteinheit S1 und die vierte Schalteinheit S4 jeweils zwei Halbleiterschaltelemente auf. Dabei sind die jeweiligen zwei Halbleiterschaltelemente derart angeordnet, dass die jeweiligen Abflussanschlüsse miteinander verbunden sind.
Die zweite Schalteinheit S2, die dritte Schalteinheit S3, die fünfte Schalteinheit S5, die sechste Schalteinheit S6 und die siebte Schalteinheit S7 weisen jeweils ein einziges Halbleiterschaltelement auf.
In Fig. 6 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem 51 dargestellt.
Das sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem fünften Ausführungsbeispiel dadurch, dass die zweite Schalteinheit S2, die dritte Schalteinheit S3, die fünfte Schalteinheit S5, die sechste Schalteinheit S6 und die siebte Schalteinheit S7 jeweils ein mechanisches Schaltelement aufweisen.
In Fig. 7 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem 61 dargestellt.
Das siebte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem sechsten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die antiseriell angeordneten Halbleiterschaltelemente derart angeordnet sind, dass die jeweiligen Quellanschlüsse der zwei Halbleiterschaltelemente miteinander verbunden sind. In Fig. 8 ist ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem 71 dargestellt.
Das achte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem fünften Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwischen den Halbleiterschaltelementen der ersten Schalteinheit S1 ein erster Mittelabgriff Ml angeordnet ist, der den ersten Eingang El mit der ersten Schalteinheit S1 verbindet. Der erste Ausgang Al ist unmittelbar mit der ersten Schalteinheit S1 verbunden. Außerdem ist zwischen den Halbleiterschaltelementen der vierten Schalteinheit
S4 ein vierter Mittelabgriff M4 angeordnet, der den zweiten Eingang E2 mit der vierten Schalteinheit S4 verbindet. Der zweite Ausgang A2 ist unmittelbar mit der vierten Schalteinheit S4 verbunden. In Fig. 9 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem 81 dargestellt.
Das neunte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem achten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die zweite Schalteinheit S2, die dritte Schalteinheit S3, die fünfte Schalteinheit S5, die sechste Schalteinheit S6 und die siebte Schalteinheit S7 jeweils ein mechanisches Schaltelement aufweisen.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81) mit einer ersten Energiespeichereinheit (2) und einer zweiten Energiespeichereinheit (4), die jeweils einen ersten Polanschluss (PI, P4) und einen zweiten Polanschluss (P3, P2) aufweisen, aufweisend:
- mindestens einen ersten Ausgang (Al) und einen zweiten Ausgang (A2) zur elektrisch leitenden Verbindung mit zumindest einer elektrischen Komponente (6),
- eine erste Schalteinheit (Sl), die zwischen dem ersten Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (2) und dem ersten Ausgang (Al) angeordnet ist,
- eine zweite Schalteinheit (S2), die zwischen dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (2) und dem zweiten Ausgang (A2) angeordnet ist,
- eine dritte Schalteinheit (S3), die zwischen dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (4) und dem ersten Ausgang (Al) angeordnet ist,
- eine vierte Schalteinheit (S4), die zwischen dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (4) und dem zweiten Ausgang (A2) angeordnet ist,
- eine fünfte Schalteinheit (S5), die zwischen dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (2) und dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (4) angeordnet ist, wobei die erste Schalteinheit (Sl) mit der dritten Schalteinheit (S3) verbunden ist, wobei die zweite Schalteinheit (S2) mit der vierten Schalteinheit (S4) verbunden ist, wobei zumindest die erste Schalteinheit (Sl) und die dritte Schalteinheit (S3) und/oder die zweite Schalteinheit (S2) und die vierte Schalteinheit (S4) oder die erste Schalteinheit (Sl) und die vierte Schalteinheit (S4) zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung mindestens einen ersten Eingang (El) und einen zweiten Eingang (E2) zur elektrisch leitenden Verbindung mit einer Spannungsquelle (7) aufweist, wobei der erste Eingang (El) mit der ersten Schalteinheit (Sl) und der dritten Schalteinheit (S3) verbindbar ist, insbesondere mittels einer sechsten Schalteinheit
(56), wobei der zweite Eingang (E2) mit der zweiten Schalteinheit (S2) und der vierten Schalteinheit (S4) verbindbar ist, insbesondere mittels einer siebten Schalteinheit
(57).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polanschluss (PI) der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (2) mittels der dritten Schalteinheit (S3) mit dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit (4) verbindbar ist und der zweite Polanschluss (P3) der ersten elektrischen Energiespeichereinheit (2) mittels der zweiten Schalteinheit (S2) mit dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit (4) verbindbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinheit (S2) ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, und die dritte Schalteinheit (S3) ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinheit (Sl) und die vierte Schalteinheit (S4) jeweils zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der ersten Schalteinheit (Sl) ein erster Mittelabgriff (Ml) angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der vierten Schalteinheit (S4) ein vierter Mittelabgriff (M4) angeordnet ist, wobei die sechste Schalteinheit (S6) mit dem ersten Mittelabgriff (Ml) verbunden ist und die siebte Schalteinheit (S7) mit dem vierten Mittelabgriff (M4) verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen ersten Knotenpunkt (Kl), der die erste Schalteinheit (Sl) mit der dritten Schalteinheit (S3) und dem ersten Ausgang (Al) verbindet, und einen zweiten Knotenpunkt (K2), der die zweite Schalteinheit (S2) mit der vierten Schalteinheit (S4) und dem zweiten Ausgang (A2) verbindet, aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Schalteinheit (S6) zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem ersten Eingang (El) angeordnet ist und die siebte Schalteinheit (S7) zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem zweiten Eingang (E2) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinheit (Sl), die zweite Schalteinheit (S2), die dritte Schalteinheit (S3) und die vierte Schalteinheit (S4) jeweils zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente aufweisen, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der ersten Schalteinheit (Sl) ein erster Mittelabgriff (Ml) angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der zweiten Schalteinheit (S2) ein zweiter Mittelabgriff (M2) angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der dritten Schalteinheit (S3) ein dritter Mittelabgriff (M3) angeordnet ist, wobei zwischen den Halbleiterschaltelementen der vierten Schalteinheit (S4) ein vierter Mittelabgriff (M4) angeordnet ist, wobei die sechste Schalteinheit (S6) mit dem ersten Mittelabgriff (Ml) und dem dritten Mittelabgriff (M3) verbunden ist und die siebte Schalteinheit (S7) mit dem zweiten Mittelabgriff (M2) und dem vierten Mittelabgriff (M4) verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinheit (S2) ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, und die vierte Schalteinheit (S4) ein einziges Halbleiterschaltelement aufweist, insbesondere das eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, wobei zwischen dem ersten Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (2) und der ersten Schalteinheit (Sl) eine erste Sicherung (38) angeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (4) und der vierten Schalteinheit (S4) eine zweite Sicherung (39) angeordnet ist, insbesondere wobei die erste Sicherung (38) und/oder die zweite Sicherung (39) als Relais oder pyrotechnischer Schalter ausgeführt ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinheit (Sl) und die dritte Schalteinheit (S3) jeweils ein mechanisches Schaltelement aufweisen, oder dass die zweite Schalteinheit (S2) und die vierte Schalteinheit (S4) jeweils ein mechanisches Schaltelement aufweisen, oder dass die zweite Schalteinheit (S2) und die dritte Schalteinheit (S3) jeweils ein mechanisches Schaltelement aufweisen.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Schalteinheit (S5) und/oder die sechste Schalteinheit (S6) und/oder die siebte Schalteinheit (S7) jeweils ein einziges Halbleiterschaltelement, insbesondere das eingerichtet ist, in Entladerichtung zu sperren, oder jeweils zwei antiseriell geschaltet angeordnete Halbleiterschaltelemente oder ein mechanisches Schaltelement, insbesondere ein Relais oder Schütz, aufweist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eines der antiseriell geschaltet angeordneten Halbleiterschaltelemente eingerichtet ist, in Laderichtung zu sperren, und das jeweils andere der antiseriell geschaltet angeordneten Halbleiterschaltelemente eingerichtet ist, in Entladerichtung zu sperren, und/oder dass die Quellanschlüsse oder die Abflussanschlüsse der antiseriell angeordneten Halbleiterschaltelemente miteinander verbunden sind.
13. Elektrisches Energiespeichersystem (1, 11, 21, 31) mit mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten (2, 4), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energiespeichersystem (100) eine Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
14. Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug.
PCT/EP2022/055221 2021-04-01 2022-03-02 Schaltungsanordnung und ladeverfahren für ein elektrisches energiespeichersystem WO2022207217A1 (de)

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