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Die Erfindung betrifft eine insbesondere als Traktionsbatterie ausgebildete Batterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Solchen.
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In der
DE 10 2017 212 496 A1 ist eine Hochvoltakkuvorrichtung für ein Kraftfahrzeug offenbart, die eine erste Akkueinheit, eine zweite Akkueinheit, und einen Verbraucheranschluss aufweist, welcher zum Anschluss einer Verbrauchereinheit des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Dabei weist der Verbraucheranschluss eine erste Anschlussstelle und eine zweite Anschlussstelle aufweist. Ein erster Stromverbindungspunkt der Hochvoltakkuvorrichtung ist schalterlos mit der ersten Anschlussstelle und über einen ersten Schalter mit einem ersten Pol der ersten Akkueinheit elektrisch verbunden. Weiterhin ist der erste Stromverbindungspunkt über einen zweiten Schalter mit einem ersten Pol der zweiten Akkueinheit elektrisch verbunden. Ein zweiter Stromverbindungspunkt der Hochvoltakkuvorrichtung ist schalterlos mit der zweiten Anschlussstelle und über einen dritten Schalter mit einem zweiten Pol der ersten Akkueinheit elektrisch verbunden. Des Weiteren ist der zweite Verbindungspunkt über einen vierten Schalter mit einem zweiten Pol der zweiten Akkueinheit elektrisch verbunden.
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Wie weiterhin in der
DE 10 2017 212 496 A1 dargestellt ist, sind anhand einer derartigen Anordnung der Schalter in effizienter Art und Weise sowohl ein Betrieb ermöglicht, bei dem die erste Akkueinheit und die zweite Akkueinheit parallel geschaltet sind, als auch ein Betrieb ermöglicht, bei dem die erste Akkueinheit und die zweite Akkueinheit in Reihe geschaltet sind.
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Aus der
EP 3 664 251 A1 ist ein Stromversorgungssystem bekannt, das eine erste Batterie, eine zweite Batterie, sowie eine Schalteinheit zum Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der ersten und der zweiten Batterie umfasst.
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Die
DE 10 2014 206 270 A1 betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie zum Versorgen eines Hochvoltnetzes und mit mindestens einer Schalteinheit zum Begrenzen eines über die Batterie und die Hochvoltanschlüsse der Batterie fließenden Fehlerstromes und/oder zum Begrenzen einer von der Batterie über die Hochvoltanschlüsse der Batterie an das Hochvoltnetz angelegten Spannung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Batterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug anzugeben, welche möglichst effizient aufgebaut ist und/oder welche einen möglichst sicheren Betrieb ermöglicht. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Batterie und ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie angegeben werden.
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Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und bezüglich des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Batterie sinngemäß auch für das Verfahren sowie für das Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Die Batterie ist insbesondere als Traktionsbatterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet. Diese umfasst eine erste Energiespeicherbank, welche wiederum einen auch als ersten Pol bezeichneten ersten Bankanschluss und einen auch als zweiten Pol bezeichneten zweiten Bankanschluss aufweist. Des Weiteren umfasst die Batterie eine zweite Energiespeicherbank mit einem dritten Bankanschluss (dritter Pol) und mit einem vierten Bankanschluss (vierter Pol).
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Jede der Energiespeicherbanken weist zumindest eine Batteriezelle, beispielsweise eine Lithium-lonen-Batteriezelle auf. Geeigneter Weise umfasst die jeweilige Energiespeicherbank mehr als eine, insbesondere eine Vielzahl an Batteriezellen, auf, die miteinander in Serie und/oder parallel zueinander geschaltet sind. Beispielsweise sind dabei die Batteriezellen zu einem oder zu mehr als einem (Zell-) Modul zusammengefasst.
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Vorzugsweise sind die erste und die zweite Energiespeicherbank gleich aufgebaut, weist also dieselbe Anzahl an Batteriezellen auf, die auf die gleiche Art und Weise miteinander verschaltet sind. Somit können also die erste und die zweite Energiespeicherband dieselbe Spannung an deren Bankanschlüssen bereitstellen.
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Besonders bevorzugt stellt jede der Energiespeicherbänke eine Spannung bereit, die größer ist als 60V. Insbesondere stellt jede der Energiespeicherbanken eine Spannung mit einem Betrag von 200 V, 300 V, 400 V, 500 V, 750 V, oder 1000 V bereit.
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Der zweite Bankanschluss der ersten Energiespeicherbank ist dabei mit dem dritten Bankanschluss der zweiten Energiespeicherbank mittels eines ersten Schalters elektrisch verbunden. Mit anderen sind der zweite Bankanschluss mit dem dritten Bankanschluss elektrisch verbunden, wobei in den Strompfad zwischen diesen Bankanschlüssen der erste Schalter geschaltet ist. Mit noch anderen Worten sind die erste Energiespeicherbank, der erste Schalter und die zweite Energiespeicherbank in Serie miteinander verschaltet.
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Weiterhin ist der erste Bankanschluss mittels eines zweiten Schalters, vorzugsweise in effizienter Verschaltungsweise lediglich mittels eines einzigen Schalters (nämlich des zweiten Schalters), mit einem ersten Verbindungspunkt elektrisch verbunden. An den ersten Verbindungspunkt ist beispielsweise ein Batterieanschluss angeschlossen. Beispielsweise bildet dieser Batterieanschluss den positiven Pol der Batterie.
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Der vierte Bankanschluss ist mittels eines dritten Schalters, vorzugsweise in effizienter Verschaltungsweise lediglich mittels eines einzigen Schalters (nämlich des dritten Schalters), mit einem zweiten Verbindungspunkt elektrisch verbunden.
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Des Weiteren ist ein erster Knotenpunkt zwischen dem zweiten Bankanschluss und dem ersten Schalter, mittels eines vierten Schalters mit einem zweiten Knotenpunkt zwischen dem dritten Schalter und dem zweiten Verbindungspunkt elektrisch verbunden ist. Also ist der erste Knotenpunkt im Strompfad zwischen dem zweiten Bankanschluss und dem ersten Schalter und der zweite Knotenpunkt im Strompfad zwischen dem dritten Schalter und dem zweiten Verbindungspunkt angeordnet.
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In analoger Weise hierzu ist ein dritter Knotenpunkt zwischen dem dritten Bankanschluss und dem ersten Schalter mittels eines fünften Schalters mit einem vierten Knotenpunkt zwischen dem zweiten Schalter und dem ersten Verbindungspunkt elektrisch verbunden. Also ist der dritte Knotenpunkt im Strompfad zwischen dem dritten Bankanschluss und dem ersten Schalter und der vierte Knotenpunkt im Strompfad zwischen dem zweiten Schalter und dem ersten Verbindungspunkt angeordnet.
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Der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter, und/oder der fünfte Schalter sind bevorzugt jeweils als ein Schütz ausgebildet.
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Anhand einer entsprechenden Schaltung der Schalter ist dabei sowohl ein serieller Betrieb der Energiespeicherbänke, bei dem zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem zweiten Verbindungspunkt eine Spannung anliegt, die der Summe der von den Energiespeicherbänken bereitgestellten Spannungen entspricht, als auch ein Parallelbetrieb der beiden Energiespeicherbänke ermöglicht, bei dem die erste Energiespeicherbank mit dem ersten und dem zweiten Verbindungspunkt verbunden ist, wobei die zweite Energiespeicherbank parallel zur ersten Energiespeicherbank geschaltet ist.
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Hierbei ist im seriellen Betrieb ist der erste, der zweite und der dritte Schalter geschlossen, also stromleitend geschaltet, während der vierte und der fünfte Schalter offen, also stromsperrend geschaltet, sind. Im seriellen Betrieb ist vorteilhaft eine vergleichsweise hohe Spannungslage, insbesondere die Summe der von den beiden Energiespeicherbänken bereitgestellten Spannung, ermöglicht. Dieser Betrieb wird aufgrund dessen beispielhaft bei Schnellladevorgängen oder für vergleichsweise hohe Entladeleistungen verwendet.
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Im Parallelbetrieb sind der zweite, der dritte, der vierte und der fünfte Schalter geschlossen, also stromleitend geschaltet, während der erste Schalter offen, also stromsperrend geschaltet ist. Ein solcher Parallelbetrieb ist insbesondere aufgrund seiner Ausfallsicherheit vorteilhaft. So kann im Fehlerfall, bei welchem eine der Energiespeicherbänke ausfällt, also keine elektrische Energie mehr bereitstellt, durch die jeweils andere Energiespeicherbank weiterhin elektrische Energie an den Verbindungspunkten bereitgestellt werden. Ein solcher Fehlerfall resultiert dabei beispielsweise aus einem Defekt der jeweiligen Energiespeicherbank oder aus einem Abschalten dieser Energiespeicherbank.
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Erfindungsgemäß weist die Batterie eine erste Strommesseinrichtung zur Erfassung eines Stromes, insbesondere dessen Stromstärke, zwischen dem ersten Bankanschluss und dem vierten Knotenpunkt sowie durch eine zweite Strommesseinrichtung zur Erfassung eines Stromes zwischen dem vierten Bankanschluss und dem zweiten Knotenpunkt auf. Die erste Strommesseinrichtung und die zweite Strommesseinrichtung sind beispielsweise jeweils als ein Shunt oder als ein Hallsensor ausgebildet oder umfassen einen solchen Shunt oder Hallsensor.
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Besonders vorteilhaft ist anhand lediglich dieser beiden Strommesseinrichtungen eine Erfassung der Ströme in jedem Betriebsfall, also im Parallelbetrieb, im seriellen Betrieb sowie im Fehlerfall einer der Energiespeicherbänke ermöglicht. Zusammenfassend ist hierbei ein effizienter, also Komponenten-sparender, Aufbau der Batterie realisiert.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Batterie ist im Strompfad zwischen dem zweiten Bankanschluss und dem dritten Bankanschluss ein pyrotechnischer Aktor geschaltet. Dieser pyrotechnische Aktor (Pyro-Aktuator) dient der Sicherheit der Batterie. So kann im seriellen Betrieb im Fehlerfall die elektrische Verbindung zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank unterbrochen werden.
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Vorzugsweise ist der pyrotechnische Aktor zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem dritten Knotenpunkt geschaltet. Auf diese Weise ist es sowohl bei einem Kurzschluss der ersten Energiespeicherbank, bei dem der erste Schalter, der zweite Schalter und der fünfte Schalter stromleitend sind, als auch bei einem Kurzschluss der zweiten Energiespeicherbank, bei dem der erste, der dritte und der vierte Schalter stromleitend sind, ermöglicht, die elektrische Verbindung zu unterbrechen.
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Weiterhin sind mit dem zweiten Verbindungspunkt mindestens zwei Antriebsanschlüsse elektrisch verbunden. Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie umfasst zweckmäßigerweise auch eine entsprechende Anzahl an Antrieben, vorzugsweise mit jeweils einem Elektromotor. Anhand der mindestens zwei Antriebsanschlüsse ist es also vorteilhaft ermöglicht, die Batterie in Kraftfahrzeugen zu verwenden, die einen hochverfügbaren und/oder redundanten Antrieb aufweisen sollen. Dies ist beispielsweise bei autonom fahrenden Kraftfahrzeugen erwünscht.
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Zudem ist - sofern die Batterie exakt zwei solche Antriebsanschlüsse umfasst - lediglich in einen der beiden Strompfade, welcher zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem jeweiligen Antriebsanschluss verläuft, eine dritte Strommesseinrichtung geschaltet. Die dritte Strommesseinrichtung ist beispielsweise ebenfalls als ein Shunt ausgebildet oder umfasst einen solchen. Alternativ hierzu ist die dritte Strommesseinrichtung als ein Hall Sensor ausgebildet, anhand dessen der Strom, insbesondere dessen Stromstärke, in diesem Strompfad ermittelt werden kann.
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Sofern die Batterie weitere Antriebsanschlüsse aufweist, sind in den Strompfaden zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und diesen Antriebsanschlüssen ebenfalls jeweils eine Strommesseinrichtung geschaltet. Allenfalls ist die Anzahl der Strommesseinrichtungen um eins (1) kleiner als die Anzahl der Antriebsanschlüsse. Der Strom zum oder vom jeweiligen Antriebsanschluss zum zweiten Verbindungspunkt wird zweckmäßigerweise anhand der in diesen Strompfad geschalteten Strommesseinrichtungen ermittelt. Anhand des mittels der ersten und/oder zweiten Strommesseinrichtungen ermittelten Stromes kann durch Anwendung der Knotenregel (erste Kirchhoff'sche Regel) auch der Strom durch denjenigen Strompfad zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem entsprechenden Antriebsanschluss ermittelt werden, in welchem kein Strommessgerät geschaltet ist.
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Die dritte Strommesseinrichtung und ggf. die weiteren Strommesseinrichtungen dienen also dazu, einen Kurzschlussstrom oder einen Überstrom einem der Antriebe bzw. einem der Antriebsanschlüsse zuzuordnen.
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Zusammenfassend ist also aufgrund der bereits vorhandenen ersten und/oder zweiten Strommesseinrichtung für die Bestimmung der Ströme in allen Strompfaden zu den Antriebsanschlüssen eine Strommesseinrichtung einsparbar.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist für eine hohe Sicherheit der Batterie in die Strompfade zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und den Antriebsanschlüssen jeweils ein pyrotechnischer Aktor geschaltet. Anhand diesem ist bei einem Kurzschluss oder bei einem Überstrom der jeweilige Strompfad trennbar (unterbrechbar).
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Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung ist mit dem zweiten Verbindungspunkt ein Aggregatanschluss für ein Aggregat des Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Hochvoltverbraucher wie beispielsweise ein Klimakompressor, elektrisch verbunden. Dabei ist im Strompfad zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem Aggregatanschluss eine Schmelzsicherung geschaltet. Bei der oben dargestellten Anwendung der Knotenregel für Zuordnung eines Kurzschluss- oder Überstromes zu einem der Antriebsanschlüsse wird dabei ein (Aggregat-)Strom im Strompfad zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem Aggregatanschluss vernachlässigt, also als 0 angenommen, da solche Aggregate eine vergleichsweise geringe Stromtragfähigkeit und beispielsweise zusätzlich eine eigene Sicherung gegen einen Kurzschluss und/oder gegen einen Überstrom aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Batterie weist diese eine erste Steuereinheit auf, welche signalübertragungstechnisch mit dem dritten Schalter, dem fünften Schalter sowie mit der zweiten Strommesseinrichtung verbunden ist. Zweckmäßigerweise und sofern vorhanden, ist diese zudem mit dem pyrotechnischen Aktor zwischen dem zweiten Bankanschluss und dem dritten Bankanschluss, mit den pyrotechnischen Aktoren in den Strompfaden zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und den Antriebsanschlüssen, und/oder mit der dritten Strommesseinrichtung und ggf. den weiteren Strommesseinrichtungen signalübertragungstechnisch verbunden.
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Zudem umfasst die Batterie eine zweite Steuereinheit, welche signalübertragungstechnisch mit dem zweiten Schalter, mit dem vierten Schalter sowie mit der ersten Strommesseinrichtung verbunden ist. Zweckmäßigerweise und sofern vorhanden, ist diese zudem mit dem pyrotechnischen Aktor zwischen dem zweiten Bankanschluss und dem dritten Bankanschluss, den pyrotechnischen Aktoren in den Strompfaden zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und den Antriebsanschlüssen, und/oder der dritten Strommesseinrichtung und ggf. den weiteren Strommesseinrichtungen signalübertragungstechnisch verbunden.
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Die beiden Steuereinheiten sind zweckmäßiger als baulich voneinander getrennte Steuergeräte ausgebildet. Alternativ können diese auch auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein, wobei deren Bestandteile vorzugsweise jedoch nicht miteinander verschaltet sind. Insbesondere ist anhand der ersten Steuereinheit und der zweiten Steuereinheit eine funktionale Aufteilung der Ansteuerung der mit den Steuereinheiten signalübertragungstechnisch verbundenen Batteriekomponenten derart realisiert, dass mittels der ersten Steuereinheit ein Betrieb der Batterie mit lediglich der zweiten Energiespeicherbank ermöglicht ist. Beispielsweise erfolgt ein solcher Betrieb bei Ausfall der ersten Energiespeicherbank und/oder der zweiten Steuereinheit aufgrund eines Defekts, aufgrund eines defekten zweiten und/oder vierten Schalters und/oder bei Erfassen eines Fehlerstromes (insbesondere eines Kurzschlussstroms) durch die erste Strommesseinrichtung. Zudem ist mittels der zweiten Steuereinheit ein Betrieb der Batterie mit lediglich der ersten Energiespeicherbank ermöglicht. Ein solcher Betrieb erfolgt beispielsweise bei Ausfall der zweiten Energiespeicherbank und/oder der ersten Steuereinheit aufgrund eines Defekts, aufgrund eines defekten dritten und/oder fünften Schalters, und/oder bei Erfassen eines Fehlerstromes (insbesondere eines Kurzschlussstroms) durch die zweite Strommesseinrichtung. Weiterhin ist ein sogenannter Single-Point-Fehler, bei dem der Ausfall des einzigen Steuergeräts den Ausfall der gesamten Batterie zur Folge hat, vorteilhaft vermieden.
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Zusammenfassend ist besonders vorteilhaft auf diese Weise eine hochverfügbare Batterie bereitgestellt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie in einer der oben dargestellten Varianten. Verfahrensgemäß wird im Fehlerfall, bei dem eine der Energiespeicherbänke ausfällt, mit anderen Worten wenn eine der Energiespeicherbänke aufgrund eines Defekts keine elektrische Energie mehr bereitstellt oder aufgrund dessen weg- oder abgeschaltet wird, durch die jeweils andere Energiespeicherbank weiterhin elektrische Energie an den Verbindungspunkten bereitgestellt.
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Tritt dieser Fehlerfall im Parallelbetrieb auf, so kann unterbrechungsfrei weiterhin an den Verbindungspunkten elektrische Energie bereitgestellt werden. Erfolgt dagegen der Fehlerfall im seriellen Betrieb, wird also aufgrund des Fehlers lediglich eine reduzierte, insbesondere bei gleicher Ausgestaltung der beiden Energiespeicherbänke halbierte, Spannung bereitgestellt, erfolgt zweckmäßigerweise zunächst ein Umladen der Zwischenkreiskapazitäten.
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Allenfalls werden bei Ausfall der ersten Energiespeicherbank zweckmäßigerweise die Schalter derart geschaltet, dass der erste, der zweite und der vierte Schalter geöffnet und der dritte und der fünfte Schalter geschlossen sind. Analog hierzu werden bei Ausfall der zweiten Energiespeicherbank zweckmäßigerweise die Schalter derart geschaltet, dass der erste, der dritte und der fünfte Schalter geöffnet und der zweite und der vierte Schalter geschlossen sind.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Dieses weist eine Batterie auf, die in einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet, und zusätzlich oder alternativ gemäß dem Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten betrieben wird.
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Insbesondere ist die Batterie dabei eine Traktionsbatterie (Hochvolt-Batterie) des Kraftfahrzeugs, also eine Batterie die elektrische Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Der Antrieb umfasst vorzugsweise mindestens zwei Antriebsstränge, so dass der Antrieb hochverfügbar ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur schematisch ein Schaltbild einer Batterie mit einer ersten Energiespeicherbank und mit einer zweiten Energiespeicherbank, wobei Schalter derart geschaltet sind, dass die Batterie in einem Parallelbetrieb oder in einem Serienbetrieb der ersten und der zweiten Energiespeicherbank betreibbar ist.
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Die in der Figur dargestellte Batterie 2 weist eine erste Energiespeicherbank 4 sowie eine zweite Energiespeicherbank 6 auf. Jede der beiden Energiespeicherbänke 4, 6 umfasst jeweils zwei Bankanschlüsse 8, 10 bzw. 12, 14, an denen die jeweilige Energiespeicherbank elektrische Energie bereitstellt.
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Der zweite Bankanschluss 10 der ersten Energiespeicherbank 4 ist mit dem dritten Bankanschluss 12 der zweiten Energiespeicherbank 6 elektrisch verbunden. Dabei ist in den Strompfad zwischen diese beiden Bankanschlüsse 10, 12 ein erster Schalter 16 geschaltet.
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Der erste Bankanschluss 8 der ersten Energiespeicherbank 4 ist mittels eines zweiten Schalters 18 mit einem ersten Verbindungspunkt 20 elektrisch verbunden. Des Weiteren ist der vierte Bankanschluss 14 der zweiten Energiespeicherbank 6 mittels eines dritten Schalters 22 mit einem zweiten Verbindungspunkt 24 elektrisch verbunden.
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Im Strompfad zwischen dem zwischen Bankanschluss 10 und dem ersten Schalter 16 ist ein erster Knotenpunkt 26 angeordnet, welcher mittels eines vierten Schalters 28 elektrisch mit einem zweiten Knotenpunkt 30 verbunden ist, welcher im Strompfad zwischen dem zwischen dem dritten Schalter 22 und dem zweiten Verbindungspunkt 24 angeordnet ist. Also ist der vierte Schalter 28 in den Strompfad zwischen dem ersten und dem zweiten Knotenpunkt 26, 30 geschaltet. In analoger Weise hierzu ist dritter Knotenpunkt 32, welcher im Strompfad zwischen dem dritten Bankanschluss 12 und dem ersten Schalter 16 angeordnet, mittels eines fünften Schalters 34 mit einem vierten Knotenpunkt 36 elektrisch verbunden, welcher im Strompfad zwischen dem zweiten Schalter 18 und dem ersten Verbindungspunkt 20 angeordnet ist. Also ist der fünfte Schalter 34 in den Strompfad zwischen dem dritten und dem vierten Knotenpunkt 32, 36 geschaltet.
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Zwischen dem zweiten Bankanschluss 10 und dem dritten Bankanschluss 12, nämlich zwischen dem ersten Knotenpunkt 26 und dem dritten Knotenpunkt 32, ist ein pyrotechnischer Aktor 38 geschaltet, anhand dessen im Fehlerfall der Batterie 2, insbesondere bei einem internen Kurzschluss einer der Energiespeicherbänke 4, 6 den Strompfad zwischen den Energiespeicherbänken 4, 6 unterbrochen werden kann.
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Mit dem ersten Verbindungspunkt 20 ist ein erster Batterieanschluss 40 verbunden, welcher gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel den positiven Pol der Batterie 2 bildet. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Ausführungsvariante der Batterie 2 bildet der erste Verbindungspunkt 20 den negativen Pol der Batterie 2. Die hier dargestellten Ausführungen gelten dann in analoger Weise.
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Mit dem zweiten Verbindungspunkt 24 ist ein Aggregatanschluss 42 elektrisch verbunden, wobei in den Strompfad zwischen dem zweiten Verbindungspunkt 24 und dem Aggregatanschluss 40 eine Schmelzsicherung 44 geschaltet ist. Des Weiteren sind mit dem zweiten Verbindungspunkt 24 zwei Antriebsanschlüsse 46, 48 elektrisch verbunden, wobei in den Strompfaden zwischen den zweiten Verbindungspunkt 24 und den Antriebsanschlüssen 46, 48 jeweils ein pyrotechnischer Aktor 50, 52 geschaltet ist.
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Weiterhin umfasst die Batterie 2 eine erste Strommesseinrichtung 54, die zur Erfassung eines Stromes zwischen dem ersten Bankanschluss 20 und dem vierten Knotenpunkt 36 dient. Diese umfasst hier beispielsweise einen Shunt, der in den Strompfad zwischen dem ersten Bankanschluss 8 und dem vierten Knotenpunkt 36 geschaltet ist. Zudem weist die Batterie eine zweite Strommesseinrichtung 56 zur Erfassung eines Stromes zwischen dem vierten Bankanschluss 14 und dem zweiten Knotenpunkt 30 auf. Beispielhaft weist gemäß der Figur die zweite Strommesseinrichtung 56 einen Shunt auf, welcher in den Strompfad zwischen dem zweiten Knotenpunkt 30 und dem vierten Bankanschluss 14 geschaltet ist.
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Eine hier ebenfalls einen Shunt umfassende dritte Strommesseinrichtung 58 ist in den Strompfad zwischen dem zweiten Verbindungspunkt 24 und dem Antriebsanschluss 46 geschaltet.
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Zur Bestimmung der Ströme in den Strompfaden vom zweiten Verbindungspunkt 24 zu den Antriebsanschlüssen kann die Knotenregel verwendet werden. Der anhand der ersten und/oder der zweiten Strommesseinrichtung 54, 56 ermittelte Strom von der ersten Energiespeicherbank 4 und/oder von der zweiten Energiespeicherbank 6 zum zweiten Verbindungspunkt entspricht dabei der Summe der Ströme vom zweiten Verbindungspunkt 24 zu den Antriebsanschlüssen 46, 48, wobei - insbesondere für den Kurzschlussfall - ein Strom vom zweiten Verbindungspunkt 24 zum Aggregatanschluss 42 als Null (0) angenommen wird. Dabei kann der Strom zum Antriebsanschluss 46 anhand der dritten Strommesseinrichtung erfasst werden.
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Zusammenfassend können also anhand (lediglich) dieser drei Strommesseinrichtungen 54, 56, 58, sowohl die Ströme in allen Strompfaden zu den Antriebsanschlüssen 46, 48 bestimmt werden, als auch die Ströme der Energiespeicherbänke 4, 6 sowohl im Parallelbetrieb als auch im seriellen Betrieb (vgl. weiter unten) erfasst werden.
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Die Batterie 2 weist weiterhin eine erste Steuereinheit 60 auf, welche signalübertragungstechnisch mit dem ersten Schalter 16, mit dem dritten Schalter 22, mit dem fünften Schalter 34 sowie mit der zweiten Strommesseinrichtung 56 verbunden ist. Zudem ist die erste Steuereinheit 60 mit dem pyrotechnischen Aktor 38 zwischen dem zweiten Bankanschluss 10 und dem dritten Bankanschluss 12, sowie mit den pyrotechnischen Aktoren 50 und 52 in den Strompfaden zwischen dem zweiten Verbindungspunkt 24 und den Antriebsanschlüssen 46, 48 und außerdem mit der dritten Strommesseinrichtung 58 signalübertragungstechnisch verbunden.
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Die Batterie 2 umfasst eine zweite Steuereinheit 62, welche signalübertragungstechnisch mit dem zweiten Schalter 18, mit dem vierten Schalter 28 sowie mit der ersten Strommesseinrichtung 54 verbunden ist. Zudem ist diese mit dem pyrotechnischen Aktor 38 zwischen dem zweiten Bankanschluss 10 und dem dritten Bankanschluss 12, den pyrotechnischen Aktoren 50, 52 in den Strompfaden zwischen dem zweiten Verbindungspunkt 24 und den Antriebsanschlüssen 46, 48 und weiterhin mit der dritten Strommesseinrichtung 58 signalübertragungstechnisch verbunden.
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Die beiden Steuereinheiten 60, 62 sind als baulich voneinander getrennte, also zueinander separate Steuergeräte ausgebildet. Diese sind separat zueinander an das Bussystem anschließbar. Aufgrund der Ansteuerung der Schalter 16 bis 34 und der pyrotechnischen Aktoren 38, 50 und 52 durch zwei separate Steuereinheiten 60, 62 ist eine hochverfügbare Batterie 2 realisiert. So ist mittels der ersten Steuereinheit 60 ein Betrieb der Batterie 2 mit lediglich der zweiten Energiespeicherbank 6 ermöglicht. Zudem ist anhand der zweiten Steuereinheit 62 ein Betrieb der Batterie 2 mit lediglich der ersten Energiespeicherbank 4 ermöglicht.
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Vorzugsweise sind die oben dargestellten Komponenten der Batterie 2 in einem (nicht weiter dargestellten) Batteriegehäuse angeordnet. Alternativ können einzelne Komponenten, insbesondere eine der oder beide Steuereinheiten (Steuereinrichtungen) 60, 62, auch außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sein.
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Der erste Verbindungspunkt 20, der zweite Verbindungspunkt 24, der erste Knotenpunkt 26, der zweite Knotenpunkt 30, der dritte Knotenpunkt 32 sowie der vierte Knotenpunkt 36 sind zum Zweck einer besseren Erkennbarkeit jeweils als ein ausgefüllter Kreis dargestellt.
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Der erste Schalter 16, der zweite Schalter 18, der dritte Schalter 22, der vierter Schalter 28, und der fünfte Schalter 34 sind jeweils als ein Schütz ausgebildet.
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Bei Betrieb der Batterie 2 ist zum einen ein Parallelbetrieb (Parallelbetriebsmodus) der beiden Energiespeicherbänke 4, 6 ermöglicht. Hierbei sind der zweite, der dritte, der vierte und der fünfte Schalter 18, 22, 28, 34 geschlossen, während der erste Schalter 16 offen ist. Auf diese Weise ist die erste Energiespeicherbank 4 mit dem ersten und dem zweiten Verbindungspunkt 20, 24 elektrisch verbunden, wobei die zweite Energiespeicherbank 6 parallel zur ersten Energiespeicherbank 4 geschaltet ist.
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Zum anderen ist bei Betrieb der Batterie 2 ein serieller Betrieb (Serienbetriebsmodus) der beiden Energiespeicherbänke 4, 6 ermöglicht. Hierbei sind der erste, der zweite und der dritte Schalter 16, 18, 22 geschlossen, während der vierte und der fünfte Schalter 28, 34 offen ist. Auf diese Weise sind die erste Energiespeicherbank 4 und die zweite Energiespeicherbank 6 in Serie zwischen den beiden Verbindungspunkten 20, 24 geschaltet.
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Weiterhin wird beim Betrieb der Batterie 2 im Fehlerfall, bei dem eine der beiden Energiespeicherbänke 4 oder 6 ausfällt, also keine elektrische Energie mehr bereitstellt, durch die jeweils andere Energiespeicherbank 6 bzw. 4 weiterhin elektrische Energie an den Verbindungspunkten 20, 24 bereitgestellt. Dies erfolgt sowohl bei einem Fehlerfall im Serien- als auch im Parallelbetriebsmodus.
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Hierzu werden bei Ausfall der ersten Energiespeicherbank 4 die Schalter 16 bis 34 derart geschaltet, dass der erste, der zweite und der vierte Schalter 16, 18 und 28 geöffnet und der dritte und der fünfte Schalter 22, 34 geschlossen sind. Analog hierzu werden bei Ausfall der zweiten Energiespeicherbank 6 die Schalter 16 bis 34 derart geschaltet, dass der erste, der dritte und der fünfte Schalter 16, 22, 34 geöffnet und der zweite und der vierte Schalter 18, 28 geschlossen sind.
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Ein nicht weiter dargestelltes elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist eine Batterie 2 auf, die gemäß der Figur ausgebildet ist. Dabei ist vorzugsweise an den beiden Antriebsanschlüssen jeweils ein Antrieb angeschlossen, so dass ein hochverfügbares System aus Antrieb und Batterie gebildet ist, das insbesondere für autonomes Fahren eine hohe Ausfallsicherheit bereitstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batterie
- 4
- erste Energiespeicherbank
- 6
- zweite Energiespeicherbank
- 8
- erster Bankanschluss
- 10
- zweiter Bankanschluss
- 12
- dritter Bankanschluss
- 14
- vierter Bankanschluss
- 16
- erster Schalter
- 18
- zweiter Schalter
- 20
- erster Verbindungspunkt
- 22
- dritter Schalter
- 24
- zweiter Verbindungspunkt
- 26
- erster Knotenpunkt
- 28
- vierter Schalter
- 30
- zweiter Knotenpunkt
- 32
- dritter Knotenpunkt
- 34
- fünfter Schalter
- 36
- vierter Knotenpunkt
- 38
- pyrotechnischer Aktor
- 40
- Batterieanschluss
- 42
- Aggregatanschluss
- 44
- Schmelzsicherung
- 46
- Antriebsanschluss
- 48
- Antriebsanschluss
- 50
- pyrotechnischer Aktor
- 52
- pyrotechnischer Aktor
- 54
- erste Strommesseinrichtung
- 56
- zweite Strommesseinrichtung
- 58
- dritte Strommesseinrichtung
- 60
- erste Steuereinheit (erste Steuereinrichtung)
- 62
- zweite Steuereinheit (zweite Steuereinrichtung)
