-
Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
-
Elektrisch antreibbare Fahrzeuge rücken zunehmend in das Interesse der Menschen. Als elektrisch antreibbare Fahrzeuge sollen insbesondere Landfahrzeuge, nämlich unter Anderem Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge, Strahlflugzeuge gelten, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) sollen durch die Definition beispielsweise auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst werden.
-
Die Anzahl von elektrischen Sicherheits-, Komfort- und Informationssystemen ist schon heute je nach Fahrzeugkategorie und -ausstattung beträchtlich. Es ist dabei zu beobachten, dass zunehmend mehr Komponenten dieser Art verbaut werden. Als Beispiele seien exemplarisch Drive-by-Wire-Systeme (elektrisches Lenken) und Break-by-Wire-Systeme (elektrisches Bremsen), für Landfahrzeuge eine aktive Fahrwerksregelung, Assistenzsysteme und Infotainmentsysteme genannt. Es besteht dabei ein ständiges Bedürfnis daran, die Speicherkapazität der Energiespeicher, den Wirkungsgrad der elektrischen Komponenten, die Systemverfügbarkeit und die Ausfallsicherheit zu erhöhen, die Ladedauer zu verkürzen und die Komplexität in Technik und Produktion zu beherrschen.
-
Bereits in der Vergangenheit hat es verschiedene technische Ansätze gegeben, um den Stand der Technik weiterzuentwickeln.
-
DE 10 2011 006 755 A1 betrifft ein System mit einer Anzahl an parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils über einen Ausgangsanschluss mit einem von einer Anzahl an Phasenanschlüssen eines elektrischen Energieversorgungsnetzes verbunden sind. Jeder der Energieversorgungszweige weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiequellenmodule mit jeweils mindestens einem Photovoltaikmodul auf. Kernidee ist es, Photovoltaikmodule in einer Matrix zu verschalten und über den einzelnen Photovoltaikmodulen zugeordnete separate Koppeleinrichtungen die Photovoltaikmodule koordiniert in die Energieversorgungsstränge einzukoppeln. Auf diese Weise soll es möglich sein, über geeignete Ansteuerung der Koppeleinrichtungen Drehstrom zu erzeugen, ohne dass separate Wechselrichter notwendig sind.
-
In der
DE 10 2010 009 260 A1 wird eine Einrichtung zur Versorgung eines Bordnetzes offenbart, in dem ausgangsseitig elektrisch mit dem Bordnetz verbundene Wandlerkanäle eingangsseitig jeweils mit einem Speicherelement eines aus mehreren dieser Elemente zusammengesetzten Energiespeichers elektrisch verbunden sind. Eine mit dem Bordnetz und mit den Speicherelementen des Energiespeichers elektrisch verschaltete Battery-Management-Unit BMU steuert bzw. regelt die Wandlerkanäle derart, dass durch gezielte Ladungsentnahme der Ladungszustand der Speicherelemente einander angeglichen wird und die Spannung des Bordnetzes auf einem Sollwert konstant gehalten wird.
-
US 2018 / 0 043 789 A1 offenbart eine elektrische Schaltung mit mindestens drei Batteriemodulen. Jedes der Batteriemodule umfasst mindestens einen Batterieteil und mindestens zwei elektrische Schalter. Jedes der Batteriemodule ist über eine elektrische Verbindungsleitung elektrisch mit mindestens einem zweiten der Batteriemodule verbunden.
-
Die US 2016 / 0 254 521 A1 beschreibt eine Speicherbatterie, in der ein bzw. mehrere pyrotechnische Sicherheitstrennelemente (sogenannte Pyrofuses) vorgesehen sind.
-
In der
DE 10 2013 204 073 A1 wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche ein Batteriegehäuse sowie zwei Anschlüsse für einen Verbraucher umfasst. Ferner umfasst die Batterie einen im Batteriegehäuse angeordneten Batteriestrang, der die beiden Anschlüsse miteinander verbindet sowie mindestens eine zu dem Batteriestrang in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezelle aufweist. Innerhalb des Batteriegehäuses ist ein thermisches Auslöseelement angeordnet.
-
Das Auslöseelement ist ausgebildet, bei Vorliegen einer vorbestimmten ersten Temperatur im Bereich des thermischen Auslöseelementes auszulösen.
-
US 8 842 404 B2 offenbart eine Kurzschlußschutzeinrichtung zur Begrenzung bzw. Abschaltung von Kurzschlußströmen in Hochenergie-Gleichstromnetzen.
-
Die
DE 10 2016 213 844 A1 beschreibt ein Batteriesystem mit einer Stromunterbrechungsanordnung zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie des Batteriesystems und einem Verbraucher. Die Stromunterbrechungsanordnung weist mehrere Leistungshalbleiter auf.
-
DE 10 2008 053 074 A1 zeigt eine Schnellschalteinrichtung für eine Hochleistungs-Batterie in einem U-Boot-Gleichstromnetz. Die Hochleistungsbatterie umfasst mehrere parallel geschaltete Batteriemodule mit jeweils zumindest einem Strang von in Reihe geschalteten Hochleistungs-Batteriezellen. Jeder der Stränge, die die Netzspannung des Gleichstrominselnetzes haben, weist für jedes der Batteriemodule jeweils eine Schalteinheit auf. Die Schalteinheit umfasst eine Parallelschaltung aus einer den Ladestrom des Batteriemoduls durchlassend gepolten Diode und einem den Entladestrom durchlassend gepolten Leistungshalbleiterschalter. Die Parallelschaltung ist in einem Anschlussleiter des Batteriemoduls angeordnet. Der Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalters ist durch eine Überwachungs- und Steuereinrichtung steuerbar, um den in dem Anschlussleiter fließenden Entladestom zu unterbrechen.
-
In der
DE 10 2015 219 589 A1 wird eine Fahrzeugbatterievorrichtung mit einem ersten Akkumulator, der einen Zwischenabgriff aufweist, einem zweiten Akkumulator, der einen Pluspol aufweist, sowie mit einem ersten und einem zweiten positiven Anschluss beschrieben. Der Pluspol des zweiten Akkumulators ist mit dem Zwischenabgriff des ersten Akkumulators verbunden. Der zweite Akkumulator weist eine Nennspannung auf, die kleiner als die Nennspannung des ersten Akkumulators ist. Der erste positive Anschluss ist mit einem Pluspol des ersten Akkumulators verbunden. Der zweite positive Anschluss ist mit dem Pluspol des zweiten Akkumulators verbunden. Ein Masseanschluss der Fahrzeugbatterievorrichtung ist über einen ersten Schalter mit einem Minuspol des ersten Akkumulators verbunden. Der Masseanschluss ist ferner über einen zweiten Schalter einem Minuspol des zweiten Akkumulators verbunden. Die Fahrzeugvorrichtung stellt zwei Niedervolt-Spannungen bereit.
-
Keines der zitierten Dokumente betrifft einen Energiespeicher für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, der den besonders hohen Anforderungen an Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, insbesondere im Zusammenhang mit den Assistenzsystemen für autonomes Fahren, gerecht wird.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen in Bezug auf die genannten Punkte verbesserten Energiespeicher für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sowie ein entsprechendes Fahrzeug bereitzustellen.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Energiespeicher gemäß Anspruch 1. Der Energiespeicher weist zumindest zwei parallel geschaltete Hochvolt-Speicherstränge mit jeweils mindestens einem ersten und einem zweiten in Reihe geschalteten Teilspeicherstrang auf. Die Teilspeicherstränge umfassen jeweils zumindest eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle. Hochvolt-Gleichspannungen sind im Sinne der Offenbarung durch eine Potentialdifferenz von mindestens 60 Volt gekennzeichnet. Vorliegend kann die Hochvolt-Gleichspannung der Hochvolt-Speicherstränge mehrere Hundert Volt betragen, z. B. 200 V, 400 V, 600 V, 800 V, 1200 V oder auch Spannungswerte zwischen den genannten. Beispielsweise kann es sich bei den Teilspeichersträngen um Batteriemodule mit jeweils einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Zellen handeln. Auch können mehrere Batteriemodule, ggf. mit weiteren elektronischen Komponenten, zu einem Batteriepack zusammengefasst sein und einen Teilspeicherstrang bilden. Die redundante Versorgung durch zumindest zwei Hochvolt-Speicherstränge verbessert die Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit der Energieversorgung.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt umfassen die ersten Teilspeicherstränge jeweils ein mit der Hochvolt-Gleichspannungsquelle in Reihenschaltung angeordnetes schaltbares Trennelement. Durch das Trennelement kann ein Stromfluss in den ersten Teilspeichersträngen unterbrochen werden.
-
Weiterhin ist zwischen dem ersten und dem zweiten Teilspeicherstrang ein Mittelabgriff angeordnet. Jeweils zwei der Hochvolt-Speicherstränge sind an den Mittelabgriffen über ein Schaltelement elektrisch koppelbar. Durch die schaltbare Kopplung kann der Stromfluss im Energiespeicher und insbesondere zwischen den Teilspeichersträngen situationsangepasst gesteuert (umgeleitet) werden.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Vorteilhaft kann durch die selektive Kopplung von mindestens zwei der Mittelabgriffe eine aktive Ladungsverschiebung/Umladung zwischen den Speichersträngen bzw. den einzelnen Teilspeichersträngen vorgenommen werden.
-
Der Energiespeicher umfasst eine Hochvolt-Schnittstelle zur Energieversorgung eines Hochvolt-Bordnetzes und eine Niedervolt-Schnittstelle zur Energieversorgung eines Niedervolt-Bordnetzes. Niedervolt-Bordnetze sind in der Regel solche, die keine Hochvolt-Bordnetze sind. Niedervolt-Bordnetze können beispielsweise eine Spannung von 12 V, 24 V oder 48 V aufweisen. Die Hochvolt-Schnittstelle kann vorzugsweise elektrisch mit den Hochvolt-Speichersträngen gekoppelt sein. Der Energiespeicher kann einen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler umfassen. Die Niedervolt-Schnittstelle kann vorzugsweise mit dem Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler gekoppelt sein. Der Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler kann insbesondere aus einem der ersten Teilspeicherstränge gespeist werden. Bei dem Hochvolt-Bordnetz kann es sich um ein Traktionsbordnetz handeln, welches zumindest einen Traktionsmotor und/oder ggf. weitere Verbraucher umfasst. Eine separate Niedervolt-Batterie zur Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes ist dann nicht mehr zwingend notwendig. Optional kann eine zusätzliche (niederkapazitive) Spannungsquelle für den System-Aufstart vorgesehen sein.
-
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt können die zweiten Teilspeicherstränge jeweils ein in Reihe geschaltetes schaltbares Trennelement umfassen. Hierdurch kann der Stromfluss in den zweiten Teilspeichersträngen unterbrochen werden.
-
Die schaltbaren Trennelemente können jeweils einen Halbleiterschalter umfassen. Halbleiterschalter verschleißen kaum. Des Weiteren kann durch eine gezielte Ansteuerung, beispielsweise mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder einem Betrieb im Abschnürbereich, ein aktives Batterie- bzw. Zellmanagement betrieben werden. Beispielsweise lassen sich Spannungsunterschiede durch gesteuerte Ladungsverschiebungen ausgleichen.
-
Vorteilhaft können die schaltbaren Trennelemente einen zu dem Halbleiterschalter parallel oder in Reihe geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter aufweisen. Durch die Parallelschaltung werden Verluste minimiert und die Verfügbarkeit beim Ausfall eines Trennelementes erhöht. Durch die alternative Reihenschaltung kann eine sichere elektrische Trennung gefördert werden. Bevorzugt können die schaltbaren Trennelemente ein Sicherheitstrennelement oder eine Sicherung umfassen. Durch die (zusätzliche) Redundanz wird eine sichere Trennung des Strompfades gefördert.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der Energiespeicher einen zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler aufweisen. Der zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler kann aus einem der ersten oder zweiten Teilspeicherstränge gespeist werden. Die Niedervolt-Schnittstelle kann mit dem zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler gekoppelt sein.
-
Bevorzugt kann der Energiespeicher einen weiteren Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler aufweisen. Der weitere Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler kann aus einem oder mehreren der Hochvolt-Speicherstränge gespeist werden.
-
Die unterschiedlichen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler können jeweils verschiedene (Niedervolt-)Teilnetze versorgen. Alternativ können die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler die Redundanz erhöhen.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der Energiespeicher zumindest drei der Hochvolt-Speicherstränge aufweisen. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders geeignet erwiesen.
-
Vorteilhaft können die Mittelabgriffe über die Schaltelemente ringförmig koppelbar sein. Durch die ringförmige Kopplung wird die Anzahl der alternativen Strompfade erhöht.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Energiespeicher vier oder mehr der Hochvolt-Speicherstränge umfassen.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt können jeweils ein Hochvolt-Speicherstrang oder zwei Hochvolt-Speicherstränge in einem Batteriegehäuse angeordnet sein. Auf diese Weise lassen sich die Hochvolt-Speicherstränge aus dem Energiespeicher entnehmen und besonders leicht warten oder austauschen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt sind die Hochvolt-Speicherstränge und der bzw. die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Der Energiespeicher weist aktivierbare Sicherheitstrennelemente auf. Die Sicherheitstrennelemente sind eingerichtet, um bei einem definierten Ereignis die Hochvolt-Schnittstelle von den Hochvolt-Speichersträngen zu trennen, ohne jedoch die Energieversorgung an der Niedervolt-Schnittstelle zu unterbrechen.
-
Bei den Sicherheitstrennelementen kann es sich beispielsweise um Pyro-Switches (Pyrofuses) und/oder Sicherungen handeln. Die Sicherheitstrennelemente können eingerichtet und in der elektrischen Schaltung angeordnet sein, um bei einem definierten Ereignis die Hochvolt-Schnittstelle von den Hochvolt-Spannungsquellen zu trennen, ohne die Energieversorgung des Niedervolt-Bordnetzes zu unterbrechen.
-
In anderen Worten, können im Falle eines Unfalls alle Hochvolt-Anschlüsse des Energiespeichers von den Sicherheitstrennelementen spannungs- und stromlos geschaltet werden, während die Spannungsversorgung des Niedervolt-Bordnetzes aufrechterhalten wird. Dieser Aspekt ermöglicht die Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes aus dem Energiespeicher, auch wenn die Hochvolt-Versorgung aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden musste.
-
Wenn es sich bei den Sicherheitstrennelementen um irreversible Trennelemente wie z.B. Pyrofuses handelt, können die Sicherheitstrennelemente optional zusätzlich mit einem schaltbaren Trennelement in Reihe geschaltet sein oder dieses integriert haben. Auf diese Weise können die Hochvolt-Schnittstellen für Wartung bzw. Service reversibel stromlos geschaltet werden.
-
Bevorzugt weist der Energiespeicher schaltbare Trennelemente auf, welche eingerichtet sind, um die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler von den Speichersträngen selektiv zu trennen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Energiespeicher schaltbare Trennelemente, welche eingerichtet sind, um die Niedervolt-Schnittstellen selektiv stromlos zu schalten.
-
Die vorstehenden Aspekte ermöglichen eine granulare Steuerung der Strompfade. Auf diese Weise können Stromflüsse um defekte Bauelemente herumgeleitet, Kurzschlüsse elektrisch isoliert und die Energieversorgung besonders relevanter Verbraucher priorisiert werden.
-
Bereitgestellt wird weiterhin ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher. Das Fahrzeug kann neben dem Energiespeicher ein Hochvolt-Bordnetz und ein Niedervolt-Bordnetz aufweisen, wobei das Hochvolt-Bordnetz und das Niedervolt-Bordnetz jeweils von dem erfindungsgemäßen Energiespeicher gespeist wird.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigen:
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energiespeichers mit zwei Hochvolt-Speichersträngen,
- - 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energiespeichers mit drei Hochvolt-Speichersträngen, und
- - 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energiespeichers mit vier Hochvolt-Speichersträngen.
-
Die einzelnen Komponenten sind in der Regel nach ihrer Funktion bezeichnet und gegebenenfalls zusammengefasst. Elektrische Kopplungen der jeweiligen Komponenten in der elektrischen Schaltung sind über direkte oder indirekte Verbindungen gegeben. Merkmale und Funktionen, die bereits im Zusammenhang mit einer Figur beschrieben wurden, werden im Kontext der weiteren Figuren nur wiederholt, wenn dies zum besseren Verständnis notwendig erscheint.
-
In 1 ist eine vereinfachte schematische Übersicht eines Energiespeichers 1 für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug gezeigt. Der Energiespeicher 1 weist zwei parallel geschalteten Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 auf. Die Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 umfassen jeweils einen ersten und einen zweiten in Reihe geschalteten Teilspeicherstrang 11, 12, 21, 22 mit einem zwischenliegenden Mittelabgriff 13, 23. Die ersten Teilspeicherstränge 11, 21 umfassen jeweils ein mit der jeweiligen Hochvolt-Gleichspannungsquelle des Teilspeicherstranges 11, 21 in Reihenschaltung angeordnetes schaltbares Trennelement 14, 24. Das Trennelement 14, 24 ist im Normalbetrieb geschlossen. Es ist vorzugsweise als Schließer ausgeführt, also stromlos geöffnet bzw. hochohmig bei Nichtansteuerung. Alternativ kann es als Öffner ausgeführt sein. Jeweils zwei der Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 sind an den Mittelabgriffen 13, 23 über ein Schaltelement 51 elektrisch koppelbar. Das zwei Mittelabgriffe 13, 23 verbindende Schaltelement 51 ist normal offen, und kann deshalb bevorzugt ebenfalls als Schließer ausgeführt werden.
-
Der Energiespeicher 1 umfasst eine Hochvolt-Schnittstelle 61 zur Energieversorgung eines Hochvolt-Bordnetzes und zwei Niedervolt-Schnittstellen 62, 63 zur Energieversorgung (jeweils) eines Niedervolt-Bordnetzes. Natürlich können in anderen Ausführungsvarianten auch mehr (oder weniger) als zwei Niedervolt-Schnittstellen versorgt werden. Die Hochvolt-Schnittstelle 61 ist mit den Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 gekoppelt.
-
Der Energiespeicher 1 weist weiterhin einen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 auf. Der Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 wird aus einem der ersten Teilspeicherstränge 11, 21 gespeist. Die Niedervolt-Schnittstelle 62 ist mit dem Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 gekoppelt.
-
Die zweiten Teilspeicherstränge 12, 22 umfassen jeweils ein mit der Hochvolt-Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltetes schaltbares Trennelement 15, 25. Bei dem Trennelement 15, 25 handelt es sich um einen Schließer, welcher stromlos geöffnet bzw. bei einem Halbleiterschalter ohne Ansteuerung hochohmig ist. Alternativ kann das Trennelement auch ein Öffner sein. Zur Reduzierung der elektrischen Bauteile kann alternativ eines der Trennelemente 14, 15, 24, 25 entweder im ersten Teilspeicherstrang 11, 21 oder im zweiten Teilspeicherstrang 12, 22 entfallen.
-
Die Trennelemente 14, 24, 15, 25 in den ersten und zweiten Teilspeichersträngen 11, 21, 12, 22 können bevorzugt so angeordnet sein, dass beidseitig der Hochvolt-Spannungsquellen jeweils ein Trennelement 14, 24, 15, 25 liegt. In anderen Worten folgt in den jeweiligen Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 in einer Reihenschaltung auf ein erstes Trennelement 14, 24 die Hochvolt-Gleichspannungsquelle des ersten Teilspeicherstranges 11, 21. Auf den ersten Teilspeicherstrang 11, 21 folgt, zwischen dem ersten Teilspeicherstrang 11, 21 und dem zweiten Teilspeicherstrang 12, 22 liegend, der Mittelabgriff 13, 23. Auf den Mittelabgriff 13, 23 folgt, in Reihe geschaltet, die Hochvolt-Gleichspannungsquelle des zweiten Teilspeicherstranges 12, 22. Zuletzt folgen die Trennelemente 15, 25 in den zweiten Teilspeichersträngen 12, 22. Die zumindest zwei Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 sind parallelgeschaltet, also vor den Trennelementen 14, 24 der ersten Teilspeicherstränge 11, 21 und nach den Trennelementen 15, 25 der zweiten Teilspeicherstränge 12, 22 elektrisch gekoppelt.
-
Die schaltbaren Trennelemente 14, 24 in den ersten Teilspeichersträngen 11, 21 umfassen jeweils einen Halbleiterschalter 141. Die schaltbaren Trennelemente in den ersten Teilspeichersträngen 14, 24 weisen einen zu dem Halbleiterschalter 141 in Reihe oder parallel geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter 142 auf. Dies ist exemplarisch am Trennelement 14 im ersten Teilspeicherstrang 11 des ersten Hochvolt-Speicherstranges 10 dargestellt, betrifft aber natürlich ebenso die weiteren Trennelemente, auch in den weiteren Teilspeichersträngen und in den anderen Ausführungsvarianten.
-
In der gezeigten Ausführungsform weist der Energiespeicher 1 einen zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 auf. Der zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 wird aus einem der ersten Teilspeicherstränge 11, 21 gespeist, kann alternativ aber auch aus einem der zweiten Teilspeicherstränge 12, 22 mit Energie versorgt werden. Die Niedervolt-Schnittstelle 63 ist mit dem zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 gekoppelt.
-
Die Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 und die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 85 angeordnet. Der Energiespeicher 1 weist aktivierbare Sicherheitstrennelemente P1, P2 auf. Die Sicherheitstrennelemente P1, P2 sind eingerichtet, um bei einem definierten Ereignis (etwa einem Unfall, bei einem Kurzschluss oder einem anderen Fehler) die Hochvolt-Schnittstelle 61 von den Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 zu trennen, ohne die Energieversorgung an der den Niedervolt-Schnittstellen 62, 63 zu unterbrechen. Wenn es sich bei den Sicherheitstrennelementen um irreversible Trennelemente wie z.B. Pyrofuses handelt, können die Sicherheitstrennelemente optional zusätzlich mit einem schaltbaren Trennelement in Reihe geschaltet sein oder dieses integriert haben.
-
Der Energiespeicher 1 umfasst schaltbare Trennelemente 91, 92, welche eingerichtet sind, um die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 von den Speichersträngen 10, 20 selektiv zu trennen oder zuzuschalten. Auf diese Weise wird beispielsweise ein besonders effizienter Betrieb im Teillastbereich ermöglicht.
-
Der Energiespeicher 1 weist schaltbare Trennelemente 91, 92 auf, welche eingerichtet sind, um die Niedervolt-Schnittstellen 62, 63 selektiv stromlos zu schalten, und optional um im Fehlerfall den Nochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler auf der Hochvoltseite von den Hochvolt-Speichersträngen abzutrennen. Die Trennelemente zum Trennen der Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 von den Hochvolt-Speichersträngen 10, 20 können (je nach Schaltungsausführung) dieselben sein, wie die Trennelemente 91, 92, um die Niedervolt-Schnittstellen selektiv stromlos zu schalten.
-
Die Hochvolt-Speicherstränge 10, 20 sind in einem Batteriegehäuse 81, 82, 83 angeordnet.
-
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsvariante des Energiespeichers 1. Der Energiespeicher 1 umfasst drei der Hochvolt-Speicherstränge 10, 20, 30.
-
Die Mittelabgriffe 13, 23, 33 sind über die Schaltelemente 51, 52, 53 ringförmig koppelbar. Die ringförmige Kopplung ist auch bei Ausführungsvarianten mit mehr als drei Hochvolt-Speichersträngen möglich und vorteilhaft.
-
Der Energiespeicher 1 weist in der gezeigten Variante nur einen Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 am ersten Teilspeicherstrang 11 auf. Er kann allerdings in einer abgewandelten Variante auch einen zweiten und/oder einen weiteren Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 73 aufweisen.
-
Die Schaltelemente 51, 52, 53 umfassen jeweils einen Halbleiterschalter 531. Die Schaltelemente 51, 52, 53 weisen einen zu dem Halbleiterschalter 531 in Reihe geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter 532 auf. Dies ist exemplarisch am Schaltelement 53 zwischen dem dritten und dem ersten Mittelabgriff 33, 31 dargestellt, betrifft aber natürlich ebenso die anderen Schaltelemente, die die Mittelabgriffe koppelbar verbinden, auch in den weiteren Ausführungsvarianten.
-
Durch öffnen der Trennelemente 14, 15 des ersten und zweiten Teilspeicherstrangs 11, 12 (und bei offenen Schaltelementen 51, 53) kann der erste Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71 von den Speichersträngen 10, 20, 30 selektiv getrennt werden. Auf diese Weise wird die Niedervolt-Schnittstelle 62 selektiv stromlos geschaltet. Alternativ können hierfür separate Trennelemente vorgesehen sein.
-
Jeweils ein Hochvolt-Speicherstrang 10, 20, 30 ist in einem Batteriegehäuse 81, 82, 83 angeordnet.
-
3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante des Energiespeichers 1. Der Energiespeicher 1 umfasst vier der Hochvolt-Speicherstränge 10, 20, 30, 40.
-
In der gezeigten Ausführungsform weist der Energiespeicher 1 einen zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 auf. Der zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 wird aus einem der zweiten Teilspeicherstränge 12, 22, 32, 42 gespeist, kann in einer alternativen Variante aber auch aus einem der ersten Teilspeicherstränge 11, 21, 31, 41 mit Energie versorgt werden. Die Niedervolt-Schnittstelle 63 ist mit dem zweiten Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 72 gekoppelt.
-
Der Energiespeicher 1 weist einen weiteren Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 73 auf. Der weitere Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 73 wird, je nach Schaltstellung der Trennelemente 14, 24, 15, 25 aus einem bzw. mehreren der Hochvolt-Speicherstränge 10, 20, 30, 40 gespeist.
-
Die schaltbaren Trennelemente 15, 25, 35, 45 in den zweiten Teilspeichersträngen 12, 22, 32, 42 umfassen jeweils einen Halbleiterschalter 151.
-
Die schaltbaren Trennelemente in den zweiten Teilspeichersträngen 15, 25, 35, 45 weisen einen zu dem Halbleiterschalter 151 parallel geschalteten elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter 152 auf. Dies ist exemplarisch am Trennelement 15 im zweiten Teilspeicherstrang 12 des ersten Hochvolt-Speicherstranges 10 dargestellt, betrifft aber natürlich ebenso die weiteren Trennelemente, auch in den weiteren Teilspeichersträngen und den anderen Ausführungsvarianten. Auf diese Weise werden Verluste reduziert. In einer weiteren Ausführungsvariante werden die Halbleiterschalter und die elektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Schalter in Reihe geschaltet. Die schaltbaren Trennelemente können als Schließer (stromlos geöffnet bzw. bei Halbleiterschaltern hochohmig ohne Ansteuerung) ausgeführt sein. Jeweils eines der Trennelemente kann ein Sicherheitstrennelement sein. Die genannten Aspekte fördern eine sichere Unterbrechung des Stromflusses.
-
Durch öffnen der Trennelemente 14, 15, 44, 45 des ersten und zweiten Teilspeicherstrangs 11, 12, 41, 42 (und bei offenen Schaltelementen 51, 53) des ersten und vierten Hochvolt-Speicherstranges 10, 40 können der erste und zweite Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 71, 72 von den Speichersträngen 10, 20, 30, 40 selektiv getrennt werden. Auf diese Weise können die Niedervolt-Schnittstelle 62, 63 selektiv stromlos geschaltet werden. Alternativ können hierfür separate Trennelemente vorgesehen sein.
-
Der Energiespeicher 1 kann optional (hier nicht gezeigte) schaltbare Trennelemente aufweisen, welche eingerichtet sind, um die Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungswandler 73 von den Speichersträngen 10, 20 selektiv zu trennen.
-
Der Energiespeicher 1 weist zudem schaltbare Trennelemente 93 auf, welche eingerichtet sind, um die Niedervolt-Schnittstellen 64 selektiv stromlos zu schalten.
-
Jeweils zwei Hochvolt-Speicherstränge 10, 20, bzw. 30, 40 sind in einem Batteriegehäuse 81, 82 angeordnet.
