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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem, bei dem ein Batteriemanagementsystem als Bestandteil einer Hochvoltverteilerbox mit mindestens einer Hochvolt-Batterie in einem geschlossenen Gehäuse verbunden ist.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zum Aufbau eines Hochvolt-Batteriesystems über ein Batteriemanagementsystem BMS als Bestandteil einer Hochvoltverteilerbox HVJB mit mindestens einer Hochvolt-Batterie bzw. einem Batterie-Pack bekannt, wobei die genannten Komponenten in einem geschlossenen Gehäuse miteinander verbunden angeordnet sind. Aktuell gibt es bei Elektrofahrzeugen eine Hochvolt-Batterie für die Spannungsversorgung einer Elektro-Maschine und damit zur Versorgung des elektrischen Vortriebs, sowie in der Regel eine separate 12 V-Batterie für die Versorgungsspannung der elektrischen und elektronischen Komponenten im Fahrzeug. Eine Spannungsversorgung des Batteriemanagementsystems BMS in dem Hochvolt-Batteriesystem wird hierbei durch die Niederspannungsversorgung der 12 V Batterie übernommen.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die Effizienz eines Hochvolt-Batteriesystems der genannten Art zu steigern, und zugleich keine Sicherheitseinbußen hinzunehmen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Hochvolt-Batteriesystem selber einen Niederspannungsausgang aufweist, der über einen DC/DC-Steller mit der Hochvolt-Batterie verbunden ist.
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Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik ist in oder an einem erfindungsgemäß ausgebildeten Hochvolt-Batteriesystem keine separate Niederspannungs-Batterie mit einem Niederspannungsausgang mehr vorgesehen. In dem Hochvolt-Batteriesystem mit einer Ausgangsspannung von 400 V oder 800 V wird mindestens eine jeweils erwünschte Niederspannung über einen separaten Ausgang des Hochvolt-Batteriesystems zur Verfügung gestellt. Auch in zukünftigen Fahrzeugen werden weiterhin 12 V-/24 V-Komponenten für bekannte Fahrzeug- und Komfortfunktionen versorgt werden müssen. Aber mit einer weiteren Niederspannung auf 48 V wird sich mindestens eine dritte Niederspannungsebene etablieren, die u. a. dafür vorgesehen ist, innerhalb eines Fahrzeugs elektrische Aggregate mit einer elektrischen Leistung von mehr als 3 kW zuverlässig zu bedienen bzw. zu versorgen. Zu nennen sind als mögliche Anwendungsbeispiele eine Start-Stopp-Funktion, Klimakompressoren, elektrische Heizer, Pumpen, oder Lenkungsantriebe. Nach einem klassischen Ansatz wäre damit noch mindestens eine weitere Batterie auf einer anderen Niederspannungsebene vorzusehen, was weitere Kosten, erhöhten Platzbedarf und steigendes Gewicht mit sich bringen würde. Es ist damit schon jetzt sehr vorteilhaft, eine kompakte und zuverlässige Plattform zu bieten, die von einem ohnehin erforderlichen Hochvolt-Batteriesystem ausgehend auch an weitere Anforderungen zusätzlicher Niederspannungsebenen flexibel anpassbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist der DC/DC-Steller in dem Hochvolt-Batteriesystem über ein Relais an das mindestens eine Hochvolt-Batteriemodul oder die Hochvoltverteilerbox HVJB des Hochvolt-Batteriesystems angeschlossen. Das Relais als maßgebliches und letztes Sicherheitselement zur Abtrennung und damit Abschaltung der Niederspannungsversorgung bildet einen festen sicherheitstechnischen Bestandteil innerhalb des Hochvolt-Batteriesystems, das entweder an das mindestens eine Hochvolt-Batteriemodul direkt oder über die Hochvoltverteilerbox am mehrere Hochvolt-Batteriemodule angeschlossen ist.
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Das Relais ist vorzugsweise räumlich nahe des Batterie-Managementsystems BMS vorgesehen. Eine sichere Abschaltung einer Niederspannungsebene ist damit auf kurzem Weg jederzeit sicher umsetzbar. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind daher der DC/DC-Steller und das Relais in der Hochvoltverteilerbox angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist, dass der DC/DC-Steller zur direkten Versorgung auf unterschiedlichen Niederspannungsebenen ausgebildet ist. Hier wird in einer Ausführungsform der DC/DC-Steller als eine Einheit aus mehreren Gleichspannungs-Stellern ausgeführt, die an ihren Ausgängen dann entsprechende Gleichspannungsebenen im Niederspannungsbereich anbieten.
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Vorzugsweise sind an dem Gehäuse des Hochvolt-Batteriesystems mehrere Niederspannungs-Versorgungen als Schnittstellen vorgesehen. Im Niederspannungsbereich werden die unterschiedlichen Gleichspannungsebenen von z.B. 12 V, 24 V und/oder 48 V entsprechenden Verbrauchern in einem Fahrzeug in einfacher Weise direkt am Gehäuse des Hochvolt-Batteriesystems bereitgestellt, wobei deren Erzeugung und Überwachung auf etwaige Fehler sowie eine Notabschaltung zentral durch das Batterie-Managementsystem BMS des Hochvolt-Batteriesystems erfolgt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist an den DC/DC-Steller anschließend ein Kurzzeit-Niederspannungsspeicher vorgesehen, der als Niederspannungs-Puffer für eine jeweilige Gleichspannungsebene ausgebildet ist. Auch bei einem Ausfall oder eine Notabschaltung der Nieder-Gleichspannungsebenen wird damit insbesondere dem Batterie-Managementsystem BMS ausreichend Zeit zum Protokollieren und ausfallsicheren Speichern der letzten Systemzustände und aktuellen Zustände sowie Eigenschaften des Hochvolt-Batteriesystems gegeben. Derartige Daten sind für eine Wiederinbetriebnahme des Hochvolt-Batteriesystems, dessen Neustart und auch eine Reparatur des Hochvolt-Batteriesystems von hoher Bedeutung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind je Niederspannungs-Versorgung Schaltungen oder Netzwerke mit Supercaps als Niederspannungs-Puffer vorgesehen. Supercaps, auch als Ultrakondensatoren bezeichnet, sind sehr langlebige elektrochemische Kondensatoren zum Speichern und Abgeben einer großen Energiemenge mit einer hohen Leistungsdichte und ohne eigenen Wartungsbedarf.
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Vorstehend ist über Weiterbildungen ein Hochvolt-Batteriesystem mit einem Hochvolt- und einem Niedervolt-Ausgang mit DC/DC in einem gemeinsamen Batterie-Gehäuse angegeben worden. Bei Einsparungen von Kosten, Gewicht und Bauraum für eine Niederspannungsbatterie ist weiterhin ein Maximum an Sicherheit dadurch gewährleistet, dass eine Überwachung durch das Batterie-Management-System BMS auch bei gleichzeitiger Reduzierung der einzelnen Komponenten jederzeit sichergestellt ist.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: ein Ausführungsbeispiel eines Hochvolt-Batteriesystems und
- 2: ein aus dem Stand der Technik bekannter Aufbau eines Hochvolt-Batteriesystems.
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Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz eines Hochvolt-Batteriesystems in einem straßentauglichen Elektrofahrzeug dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf Fahrzeuge im Wasser und in der Luft, wie auch stationäre Anwendungen z.B. als Zwischenspeicher in Photovoltaik-Anlagen möglich ist.
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2 stellt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau eines Hochvolt-Batteriesystems 1 dar. In jedem Hochvolt-Batteriesystem 1 ist ein Batteriemanagementsystem BMS als Steuergerät und Kontrollinstanz für eine jeweils angeschlossene Anzahl miteinander verschalteter elementarer Speicherzellen oder daraus aufgebauten Hochvolt-Batterie-Modulen 2 vorgesehen. Das Batteriemanagementsystem BMS bildet dabei einen Bestandteil einer Hochvoltverteilerbox HVJB, die neben einer Verschaltung für die Hochvolt-Batterie-Module 2 u.a. auch Hochvolt-Schütze für jede der Polaritäten von Hochspannungsschienen mit mindestens einem Vorladewiderstand und einen Shunt zur Strommessung in einer Hochspannungsschiene HV umfasst, die das Hochvolt-Batteriesystem 1 mit einer Elektro-Maschine 3 als Antrieb des Fahrzeugs über einen Hochvolt-Ausgang 4 an einem geschlossenen Gehäuse 5 des Hochvolt-Batteriesystems 1 verbindet.
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Durch das Hochvolt-Batteriesystem 1 bzw. dessen Hochvoltverteilerbox HVJB hindurch verläuft eine gestrichelt eingezeichnete Grenze zwischen Hochvolt-Elementen und einer internen Hochvolt-Verschaltung, hier auf einer 400 V Ebene, sowie Niedervoltelementen auf einer 12 V-Gleichspannungsebene. Das Batteriemanagementsystem BMS wird auf der Niederspannungsebene aus einer 12 V- bzw. Niederspannungs-Batterie 6 versorgt, die an einem DC/DC-Steller 7 über die Hochvoltverteilerbox HVJB mit den Hochvolt-Batterie-Modulen 2 über einen Hochvolt-Ausgang 8 verbunden ist. Die Niederspannungs-Batterie 6 bildet zusammen mit dem DC/DC-Steller 7 eine Einheit, die extern bzw. außerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 des Hochvolt-Batteriesystems 1 angeordnet ist, durch die aber auch das Batteriemanagementsystem BMS auf der Niederspannungsebene versorgt wird. Dazu ist das Batteriemanagementsystem BMS über eine Niederspannungs-Schnittstelle 9 an die Niederspannungs-Batterie 6 angeschlossen. Aus der beständig geladenen Niederspannungs-Batterie 6 werden auch außerhalb des Hochvolt-Batteriesystems 1 weitere nicht weiter dargestellte elektrische Komponenten versorgt, insbesondere Fahrzeug-Assistenz- und Komfort-Systeme.
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Auf der vorstehend beschriebenen Struktur aufbauend zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel eines Hochvolt-Batteriesystems 1, das hinsichtlich seines Platzbedarfs, seiner Effizienz, Betriebssicherheit, Gewichts und auch Kosten verbessert ist. Trotz ihrer hohen Bedeutung für einen sicheren Betrieb des Hochvolt-Batteriesystems 1 werden nach dem Stand der Technik weder die Niederspannungs-Batterie 6 noch der DC/DC-Steller 7 direkt durch das Batteriemanagementsystem BMS des Hochvolt-Batteriesystems 1 kontrolliert und überwacht. Das wird nun erfindungsgemäß dadurch geändert und auch vereinfacht, dass der DC/DC-Steller 7 in das Hochvolt-Batteriesystem 1 hinein verlagert worden ist, und zwar als Teil der Hochvoltverteilerbox HVJB. Dort ist der DC/DC-Steller 7 nun über ein Hochvolt-Relais 10 innerhalb der Hochvoltverteilerbox HVJB mit den Hochvolt-Batterie-Modulen 2 verbunden und speist das Batteriemanagementsystem BMS direkt, das seinerseits den DC/DC-Steller 7 überwacht und ansteuert. Von dem DC/DC-Steller 7 aus erfolgt eine Niederspannungsversorgung über die Niederspannungs-Schnittstelle 9 als Ausgang an weitere nicht im Detail dargestellte elektrische Komponenten des Fahrzeugs. Eine separate Niederspannungs-Batterie 6 entfällt als Kosten- und Gewichtsfaktor, wie auch als Bauraum-beanspruchende Einheit mit möglichem Gefährdungspotential. Auch wird so nun auf außerhalb des Gehäuses 5 vorgesehene Elemente, die für einen Betrieb des Hochvolt-Batteriesystems 1 erforderlich sind, vorteilhafterweise verzichtet.
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Die Niederspannung aus dem DC/DC-Steller 7 wird über einen eigenen LV-Stecker 9 an dem Gehäuse der HV-Batterie in nicht weiter dargestellter Weise auf ein Bordnetz gelegt und über elektromechanische Vorrichtungen, wie z.B. das HV-Relais 10 nahe des Batteriemanagementsystems BMS, abgesichert. Das Batteriemanagementsystem BMS steht also weiterhin mit dem mindestens einen Hochvolt-Batterie-Modul 2 als dessen Kontrollinstanz in Verbindung und kann in einem Notfall die Niederspannungs-Versorgung durch Öffnen des HV-Relais 10 unterbrechen. Damit kommt dieser Aufbau ohne Niederspannungs-Batterie 6 aus und sieht in diesem Ausführungsbespiel für den Fall einer Unterbrechung der Niederspannungs-Versorgung an den DC/DC-Steller 7 anschließend einen Kurzzeit-Niederspannungsspeicher 11 als Puffer vor. Dieser Kurzzeit-Niederspannungsspeicher 11 ist für jede Niederspannungsebene separat z.B. als Kondensator und in diesem Ausführungsbeispiel als Schaltung mit Supercaps ausgebildet. Im Fall einer kurzzeitigen Unterbrechung überbrücken diese Schaltungen nach Art einer unterbrechungsfreien Stromversorgung je Niederspannungsebene und halten einen Betrieb aufrecht. Bei längerem Ausfall gewährleisten sie auch eine definierte Abschaltung der entsprechenden Niederspannungsverbraucher und/oder eine Fehlerausgabe und deren Speicherung.
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Zudem sind in diesem Ausführungsbeispiel an dem Gehäuse 5 des Hochvolt-Batteriesystems 1 als Schnittstellen 9 noch weitere Niederspannungs-Versorgungen LV1 LV2, LV3 durch den DC/DC-Steller 7 zur direkten Versorgung externer Komponenten auf unterschiedlichen Niederspannungsebenen bereitgestellt, also hier 12 V, 24 V und auch 48 V. Dabei sind nun im Vergleich mit einer bekannten Vorrichtung nach 2 insgesamt weniger der vergleichsweise teureren und größeren Hochvolt-Schnittstellen und in Anpassung an einen Bedarf mehr verschiedenartige Schnittstellen zur Niederspannungs-Versorgung direkt an dem Gehäuse 5 des Hochvolt-Batteriesystems 1 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- BMS
- Batterie Management-System
- HVJB
- Hochvoltverteilerbox
- HV
- Hochspannungsschiene mit Schnittstellen und Verbindern
- 1
- Hochvolt-Batteriesystem
- 2
- Hochvolt-Batterie-Modul
- 3
- Elektro-Maschine
- 4
- Hochvolt-Ausgang
- 5
- geschlossenes Gehäuse des Hochvolt-Batteriesystems 1
- 6
- Niederspannungs-Batterie
- 7
- DC/DC-Steller
- 8
- Hochvolt-Ausgang
- 9
- Niederspannungs-Schnittstelle
- 10
- HV-Relais
- 11
- Kurzzeit-Gleichspannungsspeicher
