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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, das heißt rein elektrisch fahrende Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, weisen einen elektrischen Energiespeicher auf. Es bestehen Anforderungen an den Energiespeicher, die die Folge eines effizienten und schnellen Ladevorgangs ergeben. In Hinblick auf die Nennspannung bedeutet dies, dass ein Energiespeicher eine Nennspannung aufweist, die sich an einem möglichst effizienten und schnellen Ladevorgang orientiert. Es bestehen allerdings seitens der Hersteller Quasi-Standards für die Nennspannung, wobei diese Nennspannung - etwa 400 V - für einige Ladekonstellationen und Stromnetze nicht optimal ist, insbesondere in Hinblick auf die Effizienz des Spannungswandlers des Ladegeräts. Zudem sind bei unterschiedlichen Fahrsituationen auch unterschiedliche Nennspannungen optimal (abhängig von der geforderten Leistung).
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Um die Nennspannung der Batterieeinheit einstellen zu können, wird in der
DE 10 2014 015 740 A1 vorgeschlagen, zwei Batterien wahlweise parallel- oder seriell miteinander zu verbinden. Zur Auswahl werden drei elektrisch oder elektromagnetisch ansteuerbare Schalter verwendet, die zur Konfiguration der Batterieeinheit, d.h. zur gewünschten Verbindung der Batterien eingestellt werden. Dies entspricht dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Da diese Schalter für hohe Ströme ausgelegt sein müssen, stellen diese einen relevanten Kostenfaktor dar. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die Kosten für eine derartige Umschaltvorrichtung verringern lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Energiespeichervorrichtung des Anspruchs 1 und den Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs . Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, bei einer Energiespeichervorrichtung zwei elektrische Energiespeicher mittels einer Schaltung konfigurierbar vorzusehen, wobei die Schaltung mindestens zwei Schalter und mindestens eine Diode aufweist. Die zur Konfiguration erforderlichen Bauelemente sind somit nicht drei Schalter, sondern zwei Schalter und eine Diode. Da eine Diode günstiger als ein Schaltelement ist, ergibt sich ein signifikanter Kostenvorteil. Weiterhin ist aufgrund der geringeren Anzahl erforderlicher Schaltsignale auch die Ansteuerung vereinfacht. Insbesondere sind im Gegensatz zu der Schaltung des genannten Stands der Technik nur identische Schaltsignale notwendig und keine zueinander komplementären Schaltsignale, so dass auch die Signalerzeugung und die zugehörigen Sicherheitsmechanismen vereinfacht sind.
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Die Energiespeicher der Energiespeichervorrichtung werden somit mittels einer zur Konfiguration ausgestalteten Schaltung wahlweise in Seriell- oder Parallelschaltung konfiguriert, wobei die erforderliche Schaltung vereinfacht ist. Diese einfache Vereinfachung ergibt sich dadurch, dass die zur Konfiguration verwendete Schaltung zwei Schalter und eine Diode aufweist. Diese sind in Reihe geschaltet. Die zur Konfiguration ausgestaltete Schaltung kann auch als Verbindungsschaltung bezeichnet werden, da mittels der Verbindungsschaltung die Energiespeicher miteinander (in unterschiedlicher bzw. konfigurierbarer Weise) miteinander verbunden werden.
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Es wird eine Energiespeichervorrichtung beschrieben, die einen Anschluss, einen ersten elektrischen Energiespeicher und einen zweiten elektrischen Energiespeicher aufweist. Der Anschluss dient zur Anbindung an ein Fahrzeugbordnetz, etwa ein Fahrzeugbordnetz mit einem elektrischen Antrieb. Der Anschluss kann ferner geeignet sein zur Anbindung an eine Ladeschnittstelle (konduktiv oder induktiv), oder kann (beispielsweise mittels eines Umschalters) für beide Zwecke verwendet werden.
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Die Energiespeicher sind untereinander mittels einer schaltbaren Verbindungsschaltung verbunden. Die Energiespeicher sind ferner mit dem Anschluss über die schaltbare Verbindungsschaltung verbunden. Die Verbindungsschaltung ist schaltbar bzw. anstellbar (insbesondere konfigurierbar). Da unterschiedliche Schaltstellungen der Verbindungsschaltung zu unterschiedlichen Konfigurationen des Energiespeichers führen, kann die Verbindungsschaltung auch als Konfigurationsschaltung betrachtet werden.
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Die Verbindungsschaltung ist eingerichtet, in einem ersten Schaltzustand (der Verbindungsschaltung) die Energiespeicher seriell miteinander zu verbinden. Die Verbindungsschaltung ist ferner eingerichtet, in einem zweiten Schaltzustand (der Verbindungsschaltung) die Energiespeicher parallel miteinander zu verbinden. Mit anderen Worten ist die Verbindungsschaltung eingerichtet, in einem ersten Schaltzustand die Energiespeicher als Reihenschaltung mit dem Anschluss zu verbinden, und in dem zweiten Schaltzustand die Energiespeicher in einer Parallelschaltung mit dem Anschluss zu verbinden. In dem ersten Schaltzustand bilden die Energiespeicher eine Reihenschaltung, die parallel mit dem Anschluss verbunden ist. In dem zweiten Schaltzustand bilden die Energiespeicher eine Parallelschaltung, die parallel mit dem Anschluss verbunden ist.
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Die Verbindungsschaltung weist (mindestens) zwei Schalter und (mindestens) eine Diode auf. Die zwei Schalter und die Diode sind in einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Diese Reihenschaltung kann auch als Reihenschaltung der Verbindungsschaltung bezeichnet werden.
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Die Reihenschaltung der Verbindungsschaltung, und somit die Verbindungsschaltung selbst, ist parallel an den Anschluss angeschlossen. Der Anschluss weist zwei (Versorgung-) Potentiale auf. Die Reihenschaltung verbindet diese Potentiale miteinander. Insbesondere verbinden die zwei Schalter und die Diode die beiden Potentiale des Anschlusses miteinander.
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Die zwei Schalter sind vorzugsweise über die Diode miteinander verbunden. Der erste und der zweite Schalter sind somit mit zwei unterschiedlichen Potentialen des Anschlusses verbunden. Der erste Schalter ist vorzugsweise mit dem ersten Potential des Anschlusses verbunden, während der mindestens eine zweite Schalter mit einem zweiten Potential des Anschlusses verbunden ist. Das erste Potential kann das positive Potential sein, während das zweite Potential das negative Potential des Anschlusses sein kann. Der Anschluss ist ein Gleichspannungsanschluss. Insbesondere bedeutet hier die Aussage „Schalter ist mit Potential bzw. Anschluss verbunden“, dass zwischen Schalter und Anschluss bzw. Potential eine direkte Verbindung besteht, insbesondere eine Verbindung, die nicht über einen anderen Schalter (insbesondere über einen der genannten Schalter) oder über eine andere Diode läuft. Mit anderen Worten ist die Diode zwischen den zwei Schaltern angeschlossen. Die zwei Schalter sind unterschiedlichen Potentialen des Anschlusses zugeordnet und mit diesen (direkt) verbunden (als direkte Verbindung werden auch Verbindungen bezeichnet, die eine Sicherung, ein Verbindungselement, ein Filter oder ähnliches umfassen).
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Die Energiespeicher sind über die Diode in Reihe zueinander geschaltet. Zwischen den Energiespeichern befindet sich somit die Diode, die die beiden Energiespeicher miteinander verbindet. Diese Verbindung ist insbesondere eine direkte Verbindung. Ein Energiespeicher ist direkt mit einem Potential des Anschlusses verbunden, während der andere Energiespeicher direkt mit dem zweiten Potential des Anschlusses verbunden ist. Der erste Energiespeicher kann mit dem positiven Potential bzw. dem ersten Potential des Anschlusses verbunden sein, während der zweite Energiespeicher mit dem negativen bzw. zweiten Potential des Anschlusses verbunden sein kann, insbesondere in direkter Weise.
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Der erste Energiespeicher ist an ein erstes Potential des Anschlusses angeschlossen, während der zweite Energiespeicher an ein zweites Potential des Anschlusses angeschlossen ist. Das erste Potential kann das positive Potential sein, während das zweite Potential das negative Potential (oder ein Massepotential) des Anschlusses ist.
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Der erste und der zweite Energiespeicher sind an das betreffende Potential direkt angeschlossen, d. h. insbesondere ohne Zwischenschalten der Diode oder eines anderen Schaltelements.
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Der Anschluss ist für eine Spannung eingerichtet, die eine Richtung aufweist, zu der die Sperrrichtung der Diode entgegengesetzt ist. Der Anschluss weist zwei Potentiale auf, wobei die vorgesehene Potentialdifferenz in Betriebszustand derart ist, dass sich die Diode in Leitungsrichtung befindet. Hierbei ist die Spannung, für die der Anschluss eingerichtet ist, als technische Spannung zu verstehen, wobei eine positive Spannung vorliegt, wenn das negative Potential kleiner ist als das positive Potential, d. h. wenn die Spannung vom positiven Potential zum negativen Potential zeigt. Mit anderen Worten weist die Flussrichtung bzw. Durchlassrichtung der Diode zum negativen Potential des Anschlusses hin, insbesondere zu demjenigen Energiespeicher, der mit dem negativen Potential (direkt) verbunden ist. Durch diese Vorgehensweise ergibt sich automatisch eine Serienschaltung der beiden Energiespeicher, wenn die Schalter geöffnet sind; ein Schaltelement ist dadurch obsolet. Befinden sich die Schalter in geschlossenen Zustand, dann sperrt die Diode. Die Durchlassrichtung bzw. Leitungsrichtung der Diode weist zum ersten Potential bzw. zum zweiten Energiespeicher hin.
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Die Steuervorrichtung hat vorzugsweise eine Steuerung. Diese Steuerung ist eine Vorrichtung, die beispielsweise fest verdrahtet, programmierbar oder als programmierbare Einrichtung misst fest verdrahteten Elemente ausgeführt sein kann. Die Steuerung steuert die Schalter synchron an. Die Steuerung sorgt dafür, dass die Schalter sich in selben Schaltzustand befinden. Die Steuerung ist eingerichtet, die Schalter entweder gemeinsam in einen jeweils offenen Schaltzustand anzusteuern, oder gemeinsam in einem jeweils geschlossenen Schaltzustand anzusteuern. Es kann vorgesehen sein, dass, etwa bei Wartungsarbeiten, die Steuerung zur gegengleichen Ansteuerung der beiden Schalter ausgestaltet ist.
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Die Steuerung ist vorgesehen, in einem Parallelverbindungszustand die Schalter jeweils an einen geschlossenen Zustand anzusteuern, und in einem seriellen Verbindungszustand die Schalter in einem offenen Zustand anzusteuern. Die Steuerung kann somit zwei verschiedene Zustände aufweisen, nämlich den Parallelverbindungszustand und den Seriellverbindungszustand. Im Parallelverbindungszustand steuert die Steuerung die Schalter derart an, dass die Energiespeicher parallel miteinander verbunden sind. Im Seriellverbindungszustand steuert die Steuerung die Schalter derart an, dass die Energiespeicher in Serie miteinander verbunden sind. Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Parallelverbindungszustand vorzusehen, wenn die Steuerung an einem Eingang ein Signal erhält, welches einen aktiven (Standard-)Ladezustand oder die Vorbereitung eines Ladezustands wiedergibt. Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen Seriellverbindungszustand vorzusehen, wenn an einem Eingang der Steuerung ein Signal vorliegt, dass einen Leistungs-Traktionszustand oder allgemein einen Traktionszustand wiedergibt, oder auch einen Hochvolt-Ladezustand. Der Hochvolt-Ladezustand unterscheidet sich von den vorangehend genannten (Standard-)Ladezustand dadurch, dass der (Standard-) Ladezustand ein Niedrigspannung-Ladezustand ist, bei dem mit geringerer Spannung geladen wird als beim Hochvoltladezustand.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eingerichtet ist, von einem Parallelverbindungszustand in einen Seriellverbindungszustand zu wechseln, wenn ein Schwellenwert überschritten wird, etwa eine Spannung, beispielsweise eine Sollspannung, die beispielsweise zur Versorgung eines Traktionsantriebs dienen kann.
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Die Energiespeicher sind vorzugsweise gleichen Typs. Die Energiespeicher sind ferner vorzugsweise gleiche Kapazität. Insbesondere weisen die elektrischen Energiespeicher die gleiche Nennspannung auf. Die elektrischen Energiespeicher können insbesondere baugleich sein. Die Energiespeicher sind insbesondere Traktionsbatterien, wobei in diesem Fall die Energiespeichervorrichtung als Traktionsenergiespeichervorrichtung bezeichnet werden kann. Die Energiespeicher können jeweils eine Vielzahl von in Reihe geschalteten galvanischen Zellen aufweisen, insbesondere von Sekundärzellen. Die Energiespeicher können als Lithiumakkumulatoren ausgebildet sein. Alternativ sind die Energiespeicher Supercap-Kondensatoren oder allgemein Kondensatoren. Die Energiespeicher weisen vorzugsweise eine Nennspannung von mindestens 60, 100, 200 oder 300 Volt auf, und können alternativ oder in Kombination hierzu eine Nennspannung von nicht mehr als 600, 500 oder 450 Volt aufweisen. Die Nennspannung der Energiespeicher kann (jeweils) beispielsweise 400 Volt oder zwischen 350 und 450 Volt betragen.
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In einer Ausführungsform sind die elektrischen Energiespeicher Akkumulatoren eines elektrischen Fahrzeugantriebs. Ein derartiger Fahrzeugantrieb kann an den Anschluss angeschlossen sein, um mit der Energie des Energiespeichers betrieben zu werden. Vorzugsweise befindet sich während dem Anschluss und den Energiespeichern kein spannungswandelndes Element. In einem Fahrzeugbordnetz, dass die Energiespeichervorrichtung und einen elektrischen Fahrzeugantrieb, insbesondere Traktionsantrieb umfasst, der über den Anschluss angeschlossen ist, dann kann vorgesehen sein, dass sich zwischen den Energiespeichern der Energiespeichervorrichtung und den Fahrzeugantrieb, insbesondere einer elektrischen Maschine des Fahrzeugantriebs (abgesehen von dem Inverter) kein spannungswandelndes Element vorgesehen ist. Die Verbindung zwischen einem Inverter des Fahrzeugantriebs und den Energiespeichern kann somit wandlerfrei vorgesehen sein.
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Die Schalter können elektromechanische Schalter sein oder können als Halbleiterschalter ausgebildet sein, beispielsweise als Transistoren, insbesondere MOSFETs, beispielsweise als Superjunction-MOSFETs. Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Maximal- oder Nennspannung der Schalter nicht größer ist als 600 Volt bzw. 650 Volt.
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Ferner wird ein Hochvolt-Fahrzeugbordnetz mit einer Energiespeichervorrichtung beschrieben, wie sie hierin erwähnt ist. Das Fahrzeugbordnetz kann einen Ladeanschluss und eine elektrische Maschine aufweisen, insbesondere eines Fahrzeugantriebs. Alternativ kann das Fahrzeugbordnetz die Energiespeichervorrichtung, den Ladeanschluss und den Fahrzeugantrieb (insbesondere mit Inverter und elektrischer Maschine) aufweisen. Die Energiespeichervorrichtung kann in einer Ausführungsform auswählbar mit dem Ladeanschluss oder mit der elektrischen Maschine verbunden sein.
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Alternativ kann die Energiespeichervorrichtung mit dem Ladeanschluss und der elektrischen Maschine verbunden sein, insbesondere wenn vorgesehen ist, dass über die elektrische Maschine geladen wird und somit der Ladeanschluss über die elektrische Maschine mit der Energiespeichervorrichtung verbunden ist. Die Auswählbarkeit kann vorgesehen sein durch einen Umschalter zwischen Energiespeichervorrichtung einerseits und Ladeanschluss sowie elektrische Maschine bzw. Fahrzeugantrieb andererseits. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Traktionsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Die Energiespeicher bzw. die Energiespeichervorrichtung können für die Traktion ausgelegt sein und sind somit Traktionsenergiespeicher bzw. eine Traktionsenergiespeichervorrichtung. Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Energiespeichervorrichtung bidirektional vorgesehen ist, d. h. dass der Anschluss eingerichtet ist, Energie zu den Energiespeichern hin zu übertragen oder aus diesen zu entnehmen (an eine Komponente, die an den Anschluss angeschlossen ist) .
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Die 1 zeigt eine schematische Ausführungsform zur näheren Erläuterung der Energiespeichervorrichtung.
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Eine Energiespeichervorrichtung BV der 1 umfasst einen Anschluss A mit zwei Kontakten, d. h. einen Kontakt für ein positives Potential P und ein negatives Potential N. Das Potential P kann auch als erstes Potential bezeichnet werden, während das Potential N als zweites Potential bezeichnet werden kann. Zwei Energiespeicher in Form von Batterien B1 und B2 sind an den Anschluss angeschlossen, jedoch nicht ausschließlich unmittelbar.
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Der erste Energiespeicher B1 ist über die Diode D mit dem Energiespeicher B2 verbunden. Die Energiespeicher B1 und B2 sind an den Anschluss A angeschlossen. Zwischen dem ersten Energiespeicher B1 und dem zweiten Energiespeicher B2 ist die Diode D in Sperrrichtung (bezogen auch die Richtung der Nennspannung der Energiespeicher) angeschlossen. Die sich ergebende Reihenschaltung ist parallel an den Anschluss A angeschlossen. Die Batterie B1 ist an das erste Potential B1 direkt angeschlossen, insbesondere mit einem positiven Anschluss des Energiespeichers B1. Ein negativer Anschluss des zweiten Energiespeichers B1 ist direkt mit dem zweiten Potential N bzw. mit dem negativen Potential verbunden.
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Zwischen dem Anschluss des Energiespeichers B1, der nicht mit dem ersten Potential P bzw. mit dem Anschluss A direkt verbunden ist, und dem Anschluss des Energiespeichers B2, der nicht mit dem Anschluss A bzw. dem Potential N verbunden ist, ist die Diode D angeschlossen. Deren Durchlassrichtung weist von dem ersten Energiespeicher weg. Die Durchlassrichtung der Diode D weist zum zweiten Energiespeicher B2 hin.
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Die Energiespeichervorrichtung BV weist ferner einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2 vor. Der erste Schalter, die Diode und der zweite Schalter S2 sind in dieser Reihenfolge miteinander verbunden. Die sich ergebende Serienschaltung ist an den Anschluss A angeschlossen. Hierbei ist der erste Schalter S1 direkt mit dem ersten Potential P des Anschlusses A verbunden. Der zweite Schalter S2 ist direkt mit dem zweiten Potential N des Anschlusses A verbunden. Der erste Schalter verbindet das erste Potential P mit dem zweiten Energiespeicher, insbesondere mit dem Anschluss des Energiespeichers B2, der nicht mit dem zweiten Potential verbunden ist. Der erste Schalter S1 verbindet das erste Potential P des Anschlusses A mit einem Verbindungspunkt zwischen der Diode D und dem zweiten Energiespeicher B2. Der zweite Energiespeicher B2 ist hierbei direkt mit dem zweiten Potential N des Anschlusses A verbunden. Der zweite Schalter S2 verbindet den ersten Energiespeicher B1 mit dem zweiten Potential N des Anschlusses A. Mit anderen Worten verbindet der zweite Schalter S2 den Anschluss des ersten Energiespeichers B1, der nicht direkt mit dem ersten Potential P des Anschlusses A verbunden ist, mit dem zweiten Potential (in direkter Weise).
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Somit verbindet der zweite Schalter einen Verbindungspunkt zwischen dem ersten Energiespeicher B1 und der Diode D mit dem zweiten Potential in direkter Weise. Die Reihenschaltung aus dem ersten Schalter S1, der Diode D und dem zweiten Schalter S2 wird auch als Verbindungsschaltung bezeichnet. Die Verbindungsschaltung verbindet die Energiespeicher B1 und B2 untereinander. Diese Verbindung ist konfigurierbar mittels der Verbindungsschaltung. Ferner verbindet die Verbindungsschaltung die Energiespeicher B1, B2 mit dem Anschluss A. Auch diese Verbindung ist konfigurierbar. Aufgrund der Konfigurierbarkeit kann die Verbindungsschaltung auch als Konfigurationsschaltung bezeichnet werden.
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Es ist eine Steuerung C vorgesehen, die ansteuernd mit den beiden Schaltern S1, S2 verbunden ist. Die Steuerung C ist eingerichtet, die Schalter S1 und S2 in jeweils gleichen Schaltzustand vorzusehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuerung C eine ungleiche Ansteuerung der Schalter unterbindet, insbesondere unterschiedliche Schaltzustände. Die Steuerung kann einen Parallelverbindungszustand aufweisen. In diesem steuert die Steuerung C die Schalter S1 und S2 in jeweils geschlossenen Zustand an. Dann verbindet der Schalter S2 den positiven Anschluss des Energiespeichers B2 mit dem Potential P, während der zweite Schalter S2 das negative Potential des ersten Energiespeichers B1 mit dem negativen Potential N bzw. dem zweiten Potential des Anschlusses A verbindet.
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In einem Seriellverbindungszustand steuert die Steuerung C die beiden Schalter S1, S2 in offenen Zustand an, wobei in diesem Zustand die Diode D die Energiespeicher B1 und B2 in Serie miteinander verbindet. Insbesondere verbindet die Diode D den negativen Anschluss des ersten Energiespeichers B1 mit dem positiven Anschluss des zweiten Energiespeichers B2. Dadurch addieren sich die Spannungen. Zudem kann an dem Anschluss A eine Spannung abgegriffen werden, die der Summe der beiden Spannungen der beiden Energiespeicher B1, B2 entspricht.
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In vorangehend genannten Parallelverbindungszustand sind die Potentiale der beiden Energiespeicher nicht addierend zueinander geschaltet, sondern die beiden Energiespeicher sind parallel zueinander geschaltet. Es ergibt sich somit dann für beide Energiespeicher dieselbe Spannung, da diese parallel miteinander verbunden sind. In Parallelverbindungszustand lag die Diode D nicht, da deren Durchlassrichtung vom zweiten Potential N zum ersten Potential P zeigt, so dass die Diode D sperrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014015740 A1 [0002]
