DE102018106306A1

DE102018106306A1 - Fahrzeug mit einem Energiespeicher

Info

Publication number: DE102018106306A1
Application number: DE102018106306.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Malte Jaensch; Jan Kacetl; Tomas Kacetl
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: US11088550B2; DE102018106306B4; CN110281792B; CN110281792A; US20190288526A1

Abstract

Ein Fahrzeug (10) mit einem Energiespeicher (20) hat einen Antriebsinverter (14) und eine Ladeeinheit (70), welcher Energiespeicher (20) eine erste Steuervorrichtung (22), Module (40), eine Verschaltvorrichtung (58) und zwei erste Pole (27, 28) aufweist, an welchen ersten Polen (27, 28) der Antriebsinverter (14) angeschlossen ist, welche Module (40) jeweils eine Energiespeichereinheit (50) aufweisen, und welche Verschaltvorrichtung (58) Verbindungen (25) zwischen den Modulen (40) und an den Verbindungen (25) vorgesehene erste Schalter (62) aufweist, um in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter (62) unterschiedliche Verschaltungen der Module (40) und unterschiedliche Spannungen (U) an den ersten Polen (27, 28) zu ermöglichen,
welche unterschiedlichen Verschaltungen der Module (40) mindestens zwei Verschaltungen ermöglichen aus der Gruppe von Verschaltungen bestehend aus
- Parallelverschaltung von zwei Modulen (40),
- Seriellverschaltung von zwei Modulen (40),
- Überbrückung mindestens eines Moduls (40), und welche erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Verschaltvorrichtung (60) in Abhängigkeit von einem Spannungssollwert (U_S) anzusteuern, um in Abhängigkeit vom Spannungssollwert (U_S) die Spannung (U) an den ersten Polen (27, 28) zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Energiespeicher.
Konventionelle Elektrofahrzeuge (Batterie-elektrische Fahrzeuge, Hybrid-, Brennstoffzellenfahrzeuge, etc.) haben in der Regel einen großen Energiespeicher (Batterie) aus fest in einer vorgegebenen seriell-parallel-Konfiguration verdrahteten Einzelzellen. Die feste Verdrahtung bestimmt die Maximalspannung des Systems bei voll geladener Batterie (bzw. optimaler Konzentration der Edukte bei Brennstoffzellen). Sinkt der Ladezustand der Batterie oder steigt der Laststrom stark oder auf hohe Werte an, kann die Spannung des fest verdrahteten Batteriepacks um bis zu 50% abnehmen.
Viele Fahrzeuge setzen deshalb einen DC/DC-Wandler zwischen der Batterie und dem oder den Antriebsinvertern ein, um die Spannung anzuheben und unabhängig von den Einflüssen möglichst konstant zu halten. Der zusätzliche DC/DC-Wandler erzeugt jedoch erhebliche Zusatzverluste, beansprucht Bauraum und erhöht das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und die Herstellkosten. Ferner verursacht er als getakteter Wandler mit hoher Leistung erhebliche elektromagnetische Emissionen, die gefiltert werden müssen. Außerdem kann der DC/DC-Wandler ein grundsätzliches Problem von festverdrahteten Batteriepacks nicht lösen: die produktionsbedingten Toleranzen von Batterie- und Brennstoffzellen sind so groß, dass deren Eigenschaften wie Stromfähigkeit, Verlustverhalten, Innenwiderstand, Zeitkonstanten und Kapazität, aber auch die Alterung enorm streuen.
In einem fest verdrahteten Batteriepack determiniert die schwächste Zelle die Eigenschaften der Gesamtbatterie (beispielsweise Stromfähigkeit, Wärmeerzeugung, Kapazität, etc.). Ist die kleinste Zelle leer, muss die Entladung für alle Zellen beendet werden. Kommt die verlustreichste Zelle an ihre obere Wärmegrenze, kann diese nicht einzeln entlastet werden, und es muss die Gesamtlast für alle Zellen vermindert werden. Je mehr Zellen das Batteriepack umfasst, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Leistungsfähigkeit des Batteriepacks weit unterhalb des Mittels aller Batteriezellen liegt. Nimmt man eine Gaußsche Verteilung der Eigenschaften an, wird der Einfluss der Ränder der Verteilung stärker, da die Wahrscheinlichkeit steigt, einige Vertreter dieser Ränder im Batteriepack zu haben.
Die Ladung des Batteriepacks erfolgt in der Regel über ein oder mehrere separate Ladegeräte, die die Wechselspannung (in Europa 230 V, in den USA 110 V oder als Split-Phase-Anschluss 2 × 110 V = 240 V) oder Drehstrom (400 V in Europa, diverse Spannungen zwischen 208 V und 480 V in den USA, 575 V in Canada, etc.) mit Laderegelung (Strom- und/oder Spannungsregelung) in die Gleichspannung für die Batterie umsetzen. Die derzeit existierenden Schnellladestationen entsprechen verschiedenen Standards und geben unterschiedliche Spannungen ab, wobei solche mit -400 V Gleichspannung dominieren. In den letzten Jahren steigen jedoch die in Elektrofahrzeugen verwendeten Batteriespannungen an, beispielsweise derzeit auf 800 V. Die Spannung der Ladestationen der derzeit vorhandenen Infrastruktur reicht häufig nicht aus, um eine solche Batterie zu laden. Um diese Batterien an Ladestationen mit niedrigeren Ladespannungen laden zu können, ist ein hoher Zusatzaufwand erforderlich, beispielsweise ein zusätzlicher Hochleistungs-Gleichspannungswandler, der die Spannung anpasst.
Ferner ist die Antriebsbatterie, die eine Spannung von derzeit typischerweise zwischen 48 V bis 1000 V aufweist, zumeist die einzige oder (bei Hybriden) die effizienteste Energiequelle für andere Komponenten im Fahrzeug. Eine Anzahl von eigenständigen Leistungselektronikkomponenten muss die stark schwankende Batteriespannung an diverse andere Systeme anpassen. Die Versorgung der Bordnetze, beispielsweise 12 V und/oder 48 V (sofern letzteres nicht bereits das Antriebsnetz mit der Batterie ist) erfolgt in der Regel selbst bei Hybriden mit Verbrennungsmotoren statt über einen Generator („Lichtmaschine“) oder über einen Gleichspannungswandler aus der Antriebsbatterie.
Der oder die Motoren heutiger Elektrofahrzeuge für den Antrieb sind in der Regel mehrphasige Wechselstrommotoren, oft mit drei oder mehr Phasen, und sie benötigen einen Inverter, der die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung umsetzt. Die Spannung und Frequenz der Spannungen und Ströme für die Maschine(n) ändert sich dabei je nach Arbeitspunkt (Geschwindigkeit und Beschleunigung) ständig, so dass eine ständige Nachregelung erforderlich ist. Durch Alterungsprozesse sinkt die Spannung des festverdrahteten Batteriepacks im Laufe der Zeit ab. Bei hoher Last bricht die Spannung zudem kurzzeitig (während der hohen Last und einige Sekunden bis zu wenigen Minuten je nach Batterietyp) ein, bis sie sich wieder auf die abnehmende Trajektorie zurückbewegt.
Der oder die Antriebsinverter erzeugen aus der wechselnden Gleichspannung die Wechselspannung für die Antriebsmaschine(n) durch Schaltmodulation, beispielsweise Pulsweitenmodulation (PWM). Gerade bei niedrigen Amplituden der Wechselspannung weit unter der DC-Eingangsspannung wird jedoch der Modulationsindex, gegeben durch das maximale An-zu-Aus-Verhältnis der Halbleiterschalter im Inverter, sehr klein. Bei niedrigen Modulationsindizes sinkt die DC-Spannung auf das geringe Spannungslevel der AC-Spannung und die Spannungs- und Stromqualität der Wechselspannung nimmt insbesondere durch hohe Stromrippelamplituden ab. Ferner nimmt die Stellgenauigkeit des Inverters bei niedrigen Modulationsindizes ab, so dass die Regelgüte sinkt und der Arbeitspunkt der Maschine schwankt bzw. nicht stabil geregelt werden kann. Bei heutigen Invertern ist die PWM in der Regel digital gesteuert, wodurch das zeitliche Auflösungsvermögen begrenzt ist. Bei 8-bittiger digitaler PWM sind beispielsweise 256 Stufen für den Modulationsindex möglich, bei 12-bittiger entsprechend 4096. Bei sehr kleinen Modulationsindizes ist in diesem Fall keine exakte Abbildung eines Sinus mehr möglich und bereits der Modulationsindex weist noch vor der Umsetzung in ein geschaltetes Signal Quantisierungsartefakte auf.
Aus der US 2010/261043 A1 ist ein rekonfigurierbares Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen bekannt, in dem jede Batteriezelle über eine Vielzahl von Schaltern mit einer benachbarten Batteriezelle verbunden ist. Eine Steuereinheit steuert die Schalter, um die Batteriezellen in Serie oder parallel zu schalten, um ein bestimmtes Ausgangskriterium zu erfüllen.
Die US 2011/001442 A1 offenbart eine rekonfigurierbare Batterie, deren Zellen in Reihe oder parallel angeordnet sein können, um unterschiedliche Ausgangsspannungen bereitzustellen.
Aus der US 2014/183939 A1 geht ein Batteriesystem hervor, das eine Ausgangsspannung von 12 V und 48 V bereitstellen kann. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) steuert selektiv, wie viele Module angeschlossen sind und stellt eine geringere Leistung bereit, wenn nicht aus allen Modulen Strom entnommen wird.
Die WO 2016/174117 A1 offenbart eine Batterie mit Batteriemodulen, die dynamisch zwischen einer seriellen und einer parallelen Konfiguration wechseln können, um eine Gleichspannung von 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V bereitzustellen.
Aus der EP 2 879 266 A1 ist bekannt, eine Auswahl von Batteriezellen in einem Zellstapel dynamisch zu verändern, um eine ausgeglichene Entladung der Zellen zu gewährleisten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Fahrzeug mit einem Energiespeicher bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Ein Fahrzeug hat einen Energiespeicher, einen Antriebsinverter und eine Ladeeinheit. Der Energiespeicher hat eine erste Steuervorrichtung, Module, eine Verschaltvorrichtung und zwei erste Pole, an welchen ersten Polen der Antriebsinverter angeschlossen ist. Die Module weisen jeweils eine Energiespeichereinheit auf, und die Verschaltvorrichtung hat Verbindungen zwischen den Modulen und an den Verbindungen vorgesehene erste Schalter, um in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter unterschiedliche Verschaltungen der Module und unterschiedliche Spannungen an den ersten Polen zu ermöglichen. Die unterschiedlichen Verschaltungen der Module ermöglichen mindestens zwei Verschaltungen aus der Gruppe von Verschaltungen bestehend aus

- Parallelverschaltung von zwei Modulen,
- Seriellverschaltung von zwei Modulen,
- Überbrückung mindestens eines Moduls,

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat bei einem Fahrzeug der Energiespeicher zwei zweite Pole, welche mit mindestens einer der Energiespeichereinheiten verbindbar sind, wobei die maximale Spannung an den zweiten Polen geringer ist als die maximale Spannung an den ersten Polen. Durch das Vorsehen zweiter Pole neben den ersten Polen kann der Energiespeicher unterschiedliche Spannungen abgeben und damit gleichzeitig unterschiedliche Verbraucher versorgen. Dies spart Platz und Gewicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die maximale Spannung an den zweiten Polen 120 V oder weniger. Bei 120 V endet die äquivalente Definition der Schutzkleinspannung im Industriebereich, und der Spannungsbereich bis 120 V ist daher bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die maximale Spannung an den zweiten Polen 60 V oder weniger. Die Spannung von 60 V liegt unter der Schutzkleinspannung nach unterschiedlichen Fahrzeugnormen. Daher müssen bis zu dieser Spannung keine Sicherheitsregularien des Hochvoltbereichs verwendet werden. Das betrifft insbesondere die Isolation, Isolationsabstände, Testspannungen, Berührsicherheit und die Schulung und Qualifikation der Arbeiter bei der Fertigung oder in der Reparatur. Besonders interessant ist eine Spannung im Bereich von 48 V. Diese Spannung ist beispielsweise in der Norm VDA 320 genannt, wobei ein Bereich von 20 V bis 60 V als ggf. zu tolerierender Unter- bzw. Überspannungsbereich angegeben ist, um Fluktuationen der Batteriespannung einzuschließen. Ein Bereich von 36 V bis 52 V ohne Funktionseinschränkungen und ein Bereich von 24 V bis 54 V mit möglichen Funktionseinschränkungen ist ebenfalls definiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Pole über die Verschaltvorrichtung mit der mindestens einen Energiespeichereinheit verbindbar, um über die ersten Schalter der Verschaltvorrichtung die Spannung an den zwei zweiten Polen zu beeinflussen. Die Verschaltvorrichtung kann hierdurch doppelt genutzt werden, einmal für die Erzeugung der Spannung an den ersten Polen und zusätzlich auch für die Spannung an den zweiten Polen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Steuervorrichtung dazu ausgebildet, die Verschaltvorrichtung abwechselnd zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand hin und her zu schalten, bei welchem ersten Zustand die zwei zweiten Pole mit der mindestens einen Energiespeichereinheit derart verbunden sind, dass die mindestens eine Energiespeichereinheit eine Spannung an den zwei zweiten Polen bewirkt, und bei welchem zweiten Zustand die zwei zweiten Pole derart verschaltet sind, dass die mindestens eine Energiespeichereinheit keine oder eine geringere Spannung an den zwei zweiten Polen bewirkt, um im Mittel eine Spannung an den zwei zweiten Polen bereit zu stellen, die geringer ist als die Spannung der mindestens einen Energiespeichereinheit im ersten Zustand. Die einzelnen Energiespeichereinheiten haben beispielsweise eine Spannung von 20 V oder 40 V. Für eine Erzeugung einer Spannung von beispielsweise 12 V kann daher vorteilhaft zwischen unterschiedlichen Zuständen gewechselt werden, um im Mittel eine entsprechen niedrigere Spannung zu bewirken. Wenn bei einer Grundspannung einer Energiespeichereinheit von 20 V beispielsweise eine Spannung von 48 V erzeugt werden soll, kann zwischen einer Seriellschaltung von zwei und drei Energiespeichereinheiten gewechselt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den zwei zweiten Polen ein Kondensator vorgesehen, um die Spannung an den zwei zweiten Polen zu glätten. Insbesondere bei einer getakteten Verschaltung der Energiespeichereinheiten durch die Verschaltvorrichtung ist das Vorsehen des Kondensators zur Glättung der Spannung vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Fahrzeug einen ersten DC/DC-Wandler mit ersten Eingängen und ersten Ausgängen, welche ersten Eingänge direkt oder indirekt mit den zwei zweiten Polen verbunden sind, um an den ersten Ausgängen eine zusätzliche Spannung bereit zu stellen, welche zusätzliche Spannung bevorzugt kleiner ist als die Spannung an den zwei zweiten Polen. Durch das Vorsehen des DC/DC-Wandlers kann neben der Spannung an den zweiten Polen eine zusätzliche Spannung erzeugt werden. Dies erleichtert die Verschaltung innerhalb des Energiespeichers. Alternativ wäre aber auch das Vorsehen von zwei dritten Polen am Energiespeicher möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste DC/DC-Wandler eine Trennvorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine galvanische Trennung zwischen den ersten Eingängen und den ersten Ausgängen zu bewirken. Durch die Trennvorrichtung wird eine sichere Trennung zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und beispielsweise einem 12 V-Bordnetz erzielt, und dies erhöht die Sicherheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trennvorrichtung einen Transformator oder einen Kondensator auf. Diese Bauteile eignen sich besonders gut für eine Übertragung eines Leistungssignals.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeug eine zweite Steuervorrichtung auf, und der Antriebsinverter ist über eine erste Datenleitung mit der zweiten Steuervorrichtung verbunden und dazu ausgebildet, ein erstes Datensignal an die zweite Steuervorrichtung zu übermitteln, und die zweite Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem ersten Datensignal einen Spannungssollwert an die erste Steuervorrichtung zu übertragen. Der Antriebsinverter ist in einem Fahrzeug häufig die Hauptlast an dem Energiespeicher. Es ist sehr vorteilhaft, wenn der Antriebsinverter die Spannung der Energiequelle beeinflussen kann, da Antriebsinverter üblicherweise bei unterschiedlicher Last am Ausgang unterschiedliche optimale Eingangsspannungen aufweisen. Durch das Datensignal kann somit die Leistung des Antriebsinverters verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeug einen zweiten DC/DC-Wandler mit zweiten Eingängen und zweiten Ausgängen auf, welche zweiten Eingänge direkt oder indirekt mit den zwei zweiten Polen verbunden sind, welcher zweite DC/DC-Wandler über eine zweite Datenleitung mit der zweiten Steuervorrichtung verbunden und dazu ausgebildet ist, ein zweites Datensignal an die zweite Steuervorrichtung zu übermitteln, und welche zweite Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem ersten Datensignal und dem zweiten Datensignal der ersten Steuervorrichtung einen Spannungssollwert vorzugeben. Es ist vorteilhaft, dass die zweite Steuervorrichtung Datensignale von unterschiedlichen Verbrauchern erhält. So kann in der zweiten Steuervorrichtung eine für das Gesamtsystem vorteilhafte Spannung des Energiespeichers eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ladeeinheit einen Ladeanschluss und einen AC/DC-Wandler mit dritten Eingängen und dritten Ausgängen auf, welche dritten Eingänge mit dem Ladeanschluss verbunden sind, und welche dritten Ausgänge mit den ersten Polen verbunden sind. Die Verbindung des Ladeanschlusses mit den Polen ermöglicht eine geeignete Einstellung der Spannung des Energiespeichers für die Ladung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den dritten Ausgängen und den ersten Polen ein Filter vorgesehen. Ein solcher Filter kann eingesetzt werden, um einen Einfluss des Energiespeichers auf das externe Netz zu verringern. Zudem kann eine zumindest teilweise Entkopplung zwischen der Spannung an den ersten Polen und an der Ladeeinheit erzielt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die Form der Spannung an der Ladeeinheit benötigt wird, um den Ladestrom darauf zu regeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ladeeinheit einen Stromregler und eine erste Messvorrichtung zur Erzeugung eines ersten Signals in Abhängigkeit von der Höhe des Ladestroms auf, welchem Stromregler ein Stromreglersollwert als Sollwert und das erste Signal als Istwert zugeführt wird, welcher Stromregler als Stellgröße den Spannungssollwert an die erste Steuervorrichtung ausgibt, um den Istwert auf den Sollwert zu regeln. Die Beeinflussung des Ladestroms durch die Umkonfigurierung der Batterie ermöglicht einen guten Wirkungsgrad und geringe Verluste, da nicht zwingend eine zusätzliche Wandlung der Spannung erfolgen muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Istwert in Abhängigkeit von der Spannung an den dritten Ausgängen vorgegeben. Hierdurch wird der Leistungsfaktor positiv beeinflusst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Phasendifferenz zwischen dem Istwert und der Spannung an den dritten Ausgängen vorgegeben, um den Leistungsfaktor zu beeinflussen. Wenn an einem Stromnetz beispielsweise viele kapazitive Lasten hängen, ist es vorteilhaft, die Phasendifferenz derart einzustellen, dass das Fahrzeug als induktive Last wirkt. Bei den hohen Leistungen ist diese Möglichkeit sehr vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Stromregler die Phasendifferenz durch einen Geber veränderbar vorgebbar. Das Fahrzeug kann hierdurch auf aktuelle Anforderungen reagieren und beispielsweise eine entsprechende Einstellung der Phasendifferenz vornehmen, wenn dies vom Stromnetz durch ein Steuersignal bzw. vom Stromnetzbetreiber gefordert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der AC/DC-Wandler dadurch ausgebildet, dass der Antriebsinverter in umgekehrter Richtung für den Ladevorgang genutzt wird. Der Antriebsinverter ist ggf. bereits im Fahrzeug vorhanden, und er hat üblicherweise die gesamte erforderliche Funktionalität. Dies spart Platz, Gewicht und Kosten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ladeanschluss einen ersten Anschlusspunkt für einen Nullleiter auf, und der erste Anschlusspunkt ist über Dioden oder über Schalter, insbesondere über Halbleiterschalter, mit den zwei ersten Polen verbunden. Dies ermöglicht einen bevorzugten Anschluss eines Nullleiters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ladeanschluss eine erste Ladeanschlusseinheit für eine Gleichspannung und eine zweite Ladeanschlusseinheit für eine Wechselspannung auf, welche erste Ladeanschlusseinheit zumindest teilweise mit der Gleichstromseite des Antriebsinverters verschaltet ist, und welche zweite Ladeanschlusseinheit zumindest teilweise mit der Wechselstromseite des Antriebsinverters verschaltet ist. Hierdurch ergibt sich eine große Flexibilität für das Laden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der AC/DC-Wandler mindestens vier Zweige, um wahlweise einen Anschluss eines dreiphasigen Wechselstromsignals oder eines einphasigen Wechselstromsignals zu ermöglichen. Hierdurch wird der Anschluss unterschiedlicher Wechselstromsignale ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der AC/DC-Wandler aktiv oder passiv ausgebildet ist. Die passive Ausbildung ist kostengünstig, die aktive Ausbildung ermöglicht eine größere Flexibilität.
Ein rekonfigurierbarer Energiespeicher oder eine rekonfigurierbare Brennstoffzelle, bei der die ursprüngliche hartverdrahtete elektrische Seriell-Parallel-Verschaltung aufgebrochen und in Teileinheiten, jede mit mehreren Zellen, zerlegt wird, die wiederum durch geeignete Leistungselektronik dynamisch umverdrahtet werden kann, ermöglicht neue Anwendungsbereiche und Lösungen.
Die rekonfigurierbare Gleichspannungsbatterie kann ihre Teilbatterien/Teileinheiten/Module dynamisch zwischen serieller Verschaltung zwischen benachbarten Teilbatterien, paralleler Verschaltung zweier oder insbesondere auch mehrerer benachbarter Teilbatterien oder einer Umgehung von einer oder mehrerer Teilbatterien wechseln.
Die rekonfigurierbare Batterie kann durch eine geeignete Vorrichtung und zugehörige Steuerung diverse Aufgaben mit teilweise derselben Hardware gleichzeitig erfüllen, beispielsweise die Versorgung diverser Aggregate, den Betrieb ihrer Teileinheiten in idealen elektrischen, chemischen und thermischen Bedingungen, Laden der Batterie in diversen Modi von diversen Quellen und Energieaustausch zwischen Teilbatterien.
So koordiniert die intelligente rekonfigurierbare Batterie beispielsweise die elektrische Verschaltung der Teileinheiten unter Berücksichtigung des Laststromes so, dass

• die Ladung als zeitliches Integral des Teilbatteriestroms i_TB,j des Moduls j ausgeglichen wird; und/oder
• ein möglichst geringer Gesamtwiderstand der seriell-parallel-Kombination für eine vorgegebene Spannung entsteht; und/oder
• Temperaturhotspots, detektiert beispielsweise durch mind. einen Temperatursensor in jeder Teilbatterie, unterdrückt werden, beispielsweise durch Verringerung des Teilbatteriestroms der zugehörigen Teilbatterie(n); und/oder
• die Alterung der Teilbatterien, beispielsweise ermittelt durch eine SOH-Schätzung, ausgeglichen wird.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt

1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Anordnung mit einem Energiespeicher, Antriebsinvertern und Wechselstrommotoren, des erfindungsgemäßen Batteriesystems,
2 in schematischer Darstellung eine Steuerstruktur für den Energiespeicher,
3 in Explosionsdarstellung ein Modul des Energiespeichers,
4 das Modul von 3,
5 den Energiespeicher mit den Modulen von 3,
6 in schematischer Darstellung eine Verschaltung des Moduls,
7 in detaillierterer Darstellung eine Ausführungsform des Moduls von 6,
8 in detaillierterer Darstellung eine Ausführungsform des Moduls von 6,
9 mögliche Verschaltungen zwischen den Modulen,
10 in schematischer Darstellung eine Verschaltung der Module,
11 in schematischer Darstellung einen Aufbau eines Stromreglers für den Ladestrom,
12 bis 29 Ausführungsbeispiele für die Verwendung der Anordnung von 1,
30 eine Verschaltung zwischen Modulen in einem ersten Zustand,
31 eine Verschaltung zwischen Modulen in einem zweiten Zustand,
32 ein Diagramm der bei einem Wechsel zwischen dem ersten Zustand und zweiten Zustand entstehende Spannung,
33 ein sinusförmiges Signal, und
34 eine quantisierte Erzeugung des sinusförmigen Signals von 33.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen dieselben Komponenten, und diese werden üblicherweise nur einmal beschrieben.
1 zeigt ein Fahrzeug 10, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Ein Energiespeicher 20 zur Bereitstellung einer Spannung ist vorgesehen und beispielhaft über Antriebsinverter bzw. Leistungswechselrichter 14 mit zugeordneten Wechselstrommotoren 12 elektrisch verbindbar. Der Energiespeicher 20 hat eine erste Steuervorrichtung 22 und eine Mehrzahl von Modulen 40, welche Module 40 durch eine Schaltvorrichtung 58 rekonfigurierbar miteinander verschaltbar sind, um die Spannung U an den Polen 27, 28 des Energiespeichers 20 einzustellen. Eine zweite Steuervorrichtung 21 ist vorgesehen und mit der ersten Steuervorrichtung 22 über eine Datenleitung 30 verbunden. Die zweite Steuervorrichtung 21 ist der ersten Steuervorrichtung 22 übergeordnet und kann dieser bspw. einen Spannungssollwert U_S vorgeben. Die zweite Steuervorrichtung 22 ist über eine Datenleitung 23 mit dem Antriebsinverter 14 verbunden, um von diesem Zustandsdaten empfangen zu können, beispielsweise die Temperatur im Antriebsinverter 14, eine erforderliche Leistung oder eine gewünschte Spannung. Die erste Steuervorrichtung 22 ist über eine Datenleitung 24 mit den Modulen 40 verbunden, um den Modulen 40 Steuersignale 26 übermitteln zu können. Bevorzugt können auch die Module 40 über die Datenleitungen 24 oder über eine nicht dargestellte zusätzliche Datenleitung miteinander kommunizieren. Beispielhaft hat der Energiespeicher 20 einen ersten Zweig 31, einen zweiten Zweig 32 und einen dritten Zweig 33. Die Zweige 31, 32, 33 können zumindest teilweise in Serie geschaltet werden oder parallel miteinander verschaltet werden, um unterschiedliche Spannungen U an den Polen 27, 28 des Energiespeichers 20 bereitzustellen.
Der gezeigte Energiespeicher 20 erlaubt durch die Rekonfigurierbarkeit der Module 40 bspw. eine Anpassung der Spannung U an den Spannungssollwert U_S, und hierdurch kann bei sich änderndem Ladungszustand der Module 40 durch die Umkonfigurierung die Spannung U erhöht oder erniedrigt werden.
Eine Ladeeinheit 70 mit einem Ladeanschluss 72 ist vorgesehen, um eine Aufladung des Energiespeichers 20 zu ermöglichen. Die Ladeeinheit 70 ist im Ausführungsbeispiel mit den Polen 27, 28 verbunden. Der Ladeanschluss 72 ist bevorzugt und wie gezeigt als Buchse ausgebildet, er kann aber auch als Stecker ausgebildet werden.
Eine Messvorrichtung 29 zur Messung der Spannung an den Polen 27, 28 ist vorgesehen, um einen Spannungswert U zu erzeugen und als Signal an die erste Steuervorrichtung 22 und/oder die zweite Steuervorrichtung 21 auszugeben.
Eine Messvorrichtung 74 zur Messung des Ladestroms für die Energiequelle ist vorgesehen, um einen Stromwert I zu erzeugen und als Signal an die erste Steuervorrichtung 22 und/oder die zweite Steuervorrichtung 21 auszugeben. Der Strom kann direkt oder indirekt gemessen werden, und bevorzugt kann sowohl der Strom 64 beim Laden des Energiespeichers 20 als auch der Strom beim Entladen des Energiespeichers 20 gemessen werden.
2 zeigt die Steuerstruktur. Die Fahrzeugsteuervorrichtung 21 ist üblicherweise außerhalb des Energiespeichers 20 angeordnet, und sie kommuniziert mit der ersten Steuervorrichtung 22 des Energiespeichers 20. Die Fahrzeugsteuervorrichtung 21 überträgt bspw. ein Spannungssollwertsignal an die erste Steuervorrichtung 22, und die erste Steuervorrichtung 22 überträgt bspw. einen Status und Fehlerwerte des Energiespeichers 20. Zwischen der Fahrzeugsteuervorrichtung 21 und der ersten Steuervorrichtung 22 ist eine Datenleitung 30 vorgesehen, beispielsweise ein unidirektionaler oder bidirektionaler Bus. Die erste Steuervorrichtung 22 bestimmt, wie die Module 40 konfiguriert sein sollen, und sie überträgt über die Steuerleitung 24 entsprechende Signale an die Modulsteuervorrichtungen 42, die jeweils einem der Module 40 zugeordnet sind. Die Steuerleitung 24 ist bevorzugt eine Datenleitung, insbesondere ein unidirektionaler oder bidirektionaler Bus. Die Modulsteuervorrichtung 42 überträgt Steuersignale an erste Schalter 62, welche ersten Schalter 62 zur Aktivierung oder Deaktivierung von Verbindungen zwischen Batteriemodulen 40 vorgesehen sind, wobei ein Nutzstrom über die ersten Schalter 62 fließt, wenn diese leitend geschaltet sind. Bevorzugt weist die Modulsteuervorrichtung 42 eine Überwachung des zugeordneten Moduls (Spannung, Ladezustand, Temperatur) auf. Bevorzugt weist die Modulsteuervorrichtung 42 eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit der ersten Steuervorrichtung 22 und/oder den anderen Modulen 40 auf.
Die Modulsteuervorrichtung 42 weist bevorzugt ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ein FPGA (Field Programmable Gate Array), ein CPLD (Complex Programmable Logic Device) oder einen Mikrocontroller auf. Solche elektronischen Bauelemente ermöglichen eine schnelle Kommunikation und können sehr schnell auf die anwendungsspezifischen Ereignisse reagieren und die ersten Schalter 62 schalten. Dies ergibt eine hohe Sicherheit.
Die erste Steuervorrichtung 22 ermittelt eine geeignete Konfiguration der Verschalteinheiten 60 und übermittelt jeder Verschalteinheit 60 ein entsprechendes für das zugehörige Modul 40 geeignetes Steuersignal. In Abhängigkeit von diesem Steuersignal schaltet die Modulsteuervorrichtung 42 die ersten Schalter 62.
3 zeigt ein Modul 40. Das Modul 40 hat eine Energiespeichereinheit 50, eine Verschalteinheit 60 und eine zugeordnete Modulsteuervorrichtung 42. Die Verschalteinheit 60 bildet einen modularen Teil der Verschaltvorrichtung 58, und sie hat die ersten Schalter 62. In Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter 62 ist eine Verschaltung des Moduls 40 mit einem anderen Modul 40 möglich. Hierzu werden die Module 40 zur Bildung des Energiespeichers 20 miteinander verschaltet, so dass die Verschalteinheiten 60 zwischen zwei zugeordneten Modulen 40 verschaltet sind.
Die Verschalteinheit 60 hat bevorzugt eine Leiterplatte 61, auf der die ersten Schalter 62 mit Verbindungsleitungen 63 und bevorzugt auch die Modulsteuervorrichtung 42 vorgesehen sind.
Bevorzugt ist eine Messvorrichtung 44 zur Erzeugung von die Spannung an dem Modul 40 charakterisierenden zweiten Messwerten vorgesehen. Weiter bevorzugt ist eine Messvorrichtung 46 zur Erzeugung von dem Ladezustand an dem zugeordneten Modul 40 charakterisierenden dritten Messwerten vorgesehen. Die Anordnung der genannten Elemente auf der Leiterplatte 61 ist bevorzugt, die genannten Elemente können aber auch auf einer anderen Leiterplatte oder ohne Leiterplatte vorgesehen werden.
Die erste Steuervorrichtung 22 von 2 und die Modulsteuervorrichtung 42 sind zusammen dazu ausgebildet, auch während der Nutzung des Energiespeichers 20 eine Änderung der Ansteuerung der zugeordneten Verschalteinheit 60 zu ermöglichen, um so eine Umkonfigurierung des Energiespeichers 20 zu bewirken. Die Energiespeichereinheit 50 ist im Ausführungsbeispiel aus Batteriezellen 52 aufgebaut, welche über eine Verschaltung 54 fest verschaltet sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 52 durch die Verschaltung 54 in Reihe geschaltet, um einen vorgegebenen Grund-Spannungspegel zu erzielen. In Abhängigkeit von der Grundspannung der Batteriezellen 52 ist auch eine Parallelverschaltung oder eine kombinierte serielle und parallele Verschaltung möglich. Bei den Batteriezellen 52 hat jede Batteriezelle 52 ihren eigenen Energietank. Alternativ zu den Batteriezellen 52 können nicht dargestellte Brennstoffzellen verwendet werden. Bei Brennstoffzellen bietet es sich an, einen geteilten Energietank mit dem Brennstoff zu verwenden, wobei die Leistungswandler der Brennstoffzellen auf den gemeinsamen Energietank zugreifen. Sofern die Batteriezellen 52 oder die Brennstoffzellen eine ausreichende Spannung liefern, kann als Energiespeichereinheit 50 auch eine einzelne Batteriezelle oder Brennstoffzelle verwendet werden.
4 zeigt das Modul 40 im zusammengebauten Zustand. Die Leiterplatte 61 ist fest mit der Energiespeichereinheit 50 verbunden, wobei beispielhaft eine Zwischenplatte 48 zwischen der Leiterplatte 61 und der Energiespeichereinheit 50 vorgesehen ist. Das Modul hat Anschlüsse 66, um eine Verbindung zwischen benachbarten Modulen 40 zu ermöglichen.
5 zeigt einen Energiespeicher 20 mit zwölf Modulen 40, welche entsprechend dem Schaltbild von 1 verschaltet sind. Die einzelnen Module 40 sind mit benachbarten Modulen über Verbindungsleitungen 25 verbunden.
6 zeigt in schematischer Darstellung ein Modul 40 mit den zugeordneten Anschlüssen 66, über welche das Modul 40 mit einem benachbarten Modul 40 oder mit einem der Pole 27, 28 verbindbar ist.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Moduls 40, bei dem auf zwei Seiten der Energiespeichereinheit 50 eine Verschalteinheit 60 vorgesehen ist. Hierdurch kann das Modul 40 sowohl nach links als auch nach rechts mit einem weiteren Modul 40 verbunden werden.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform des Moduls 40, bei welcher an der Energiespeichereinheit 50 nur auf einer Seite eine Verschalteinheit 60 vorgesehen ist. Hierdurch kann das Modul 40 auf der rechten Seite mit einem weiteren Modul 40 verbunden werden. Auf der linken Seite kann bspw. eine Verbindung mit einem der Pole 27, 28 vorgesehen werden.
9 zeigt verschiedene Ausführungsformen für die Verschalteinheit 60. Man spricht auch von Mikrotopologien. Die Ausführungsformen sind mit 60.1 bis 60.5 bezeichnet. Es ist jeweils die Energiespeichereinheit 50 schematisch dargestellt, und rechts von ihr ist eine mögliche Verschaltung gezeigt, bei welcher der Nutzstrom 64 über einen oder mehrere der ersten Schalter 62 fließen kann. Die Verbindungsleitungen zwischen den Energiespeichereinheiten 50 sind mit dem Bezugszeichen 25 versehen.
Auf der rechten Seite sind die möglichen Verschaltungen aufgelistet, die mit der entsprechenden Verschalteinheit erzielt werden können. Hierbei bezeichnet S+ eine serielle positive Verschaltung, S- eine serielle negative Verschaltung, P eine parallele Verschaltung, B+ eine Überbrückung über die positive Stromschiene und B- eine Überbrückung über die negative Stromschiene. Die Verschalteinheit 60.5 ermöglicht nicht eine serielle negative Verschaltung. Nicht bei jeder Ausführungsform ist jede Verschaltung erforderlich, und es kann eine der möglichen Verschaltungen gewählt werden, die bspw. möglichst wenig erste Schalter 62 aufweist.
Durch das Vorsehen der Verschalteinheiten 60 erhält man hohe Freiheitsgrade bei der Umkonfigurierung innerhalb des Energiespeichers 20.
Weitere Mikrotopologien werden beschrieben in

- WO 2017/016675 A1 ,
- WO 2017/016674 A1 ,
- DE 10 2011 108 920 A1 ,
- DE 10 2010 052 934 A1 ,
- S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225,
- M. Perez, S. Bernet, J. Rodriguez, S. Kouro, R. Lizana (2015), Circuit topologies, modelling, control schemes, and applications of modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 4-17. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310127.

10 zeigt eine mögliche Verschaltung von sieben der Module 40 zwischen den Polen 27, 28, wie sie durch die erste Steuervorrichtung 22 berechnet und an die Module 40 ausgegeben wird. Die Anzahl der in Serie verschalteten Module 40 bestimmt die Spannung zwischen den Polen 27, 28. Bei der gezeigten Konfiguration ist das Modul 40A überbrückt und trägt daher nicht zur Gesamtspannung bei. Dies kann bspw. erforderlich sein, wenn das Modul 40A nicht richtig funktioniert, oder wenn eine geringere Gesamtspannung A an den Polen 27, 28 erwünscht ist. Die Module 40B, 40D und 40F sind in Serie geschaltet, und dem Modul 40D ist ein Modul 40E parallel geschaltet. Dies kann bspw. vorteilhaft sein, wenn das Modul 40D stärker entladen ist als die anderen Module, und durch das Hinzuschalten des Moduls 40E wird die Entladung des Moduls 40D verringert. Zudem kann ein Ladungsausgleich zwischen den Modulen 40D und 40E erfolgen, und der Gesamtwiderstand wird durch die Parallelschaltung verringert. Dem Modul 40B kann ein Modul 40C parallel geschaltet werden. Die Parallelschaltung ist jedoch deaktiviert (gestrichelte Linie). Dies kann vorteilhaft sein, wenn das Modul 40C stärker entladen ist als andere Module 40 oder wenn bei einem Ladevorgang des Energiespeichers 20 das Modul 40B stärker entladen ist als die übrigen Module 40. In gleicher Weise besteht die Möglichkeit einer Parallelschaltung des Moduls 40G zum Modul 40F, wobei auch das Modul 40G deaktiviert ist. Im Ausführungsbeispiel hat die erste Steuervorrichtung 22 die Module 40 derart angesteuert, dass eine serielle Verschaltung von Modulen 40 vorgesehen ist, wobei den seriell geschalteten Modulen 40 jeweils ein oder mehrere weitere Module 40 parallel geschaltet werden können oder aber nicht. Diese Art der Verschaltung ist vorteilhaft gegenüber einer Parallelverschaltung von bereits in Serie geschalteten Modulen, da bei einer solchen Parallelverschaltung höhere Spannungen auftreten und hierdurch auch größere Anforderungen an die ersten Schalter 62 bestehen. Die gezeigte Ausführungsform, bei der nicht bereits seriell verschaltete Module 40 zusätzlich parallel verschaltet werden, erlaubt den Einsatz von Niedervolt-Halbleiterschaltern. Der Fachmann spricht bei solchen Halbleiterschaltern in Fahrzeugen vom Niedervoltbereich, wenn eine Gleichspannung kleiner als 60 V ist bzw. der Effektivwert einer Wechselspannung kleiner als 30 V ist. Die Spannung an der durch den ersten Schalter 61 zu verschaltenden Energiespeichereinheit 50 bestimmt, wie spannungsfest der erste Schalter 61 ausgebildet sein muss.
11 zeigt den schematischen Ablauf einer Ladevorrichtung des Energiespeichers 20. Eine Messvorrichtung 76 für die Ladespannung ermittelt einen Spannungswert U1 der gleichgerichteten Ladespannung, und dieser wird einem Signalgenerator GEN 80 zugeführt. Optional ist ein Geber 78 vorgesehen, welcher dem Signalgenerator 80 einen Phasenwinkel phi vorgibt. Der Signalgenerator 80 erzeugt in Abhängigkeit von diesen Werten und ggf. zusätzlich von der gewünschten Leistung ein Signal I_S, welches den Sollwert für den Ladestrom angibt. Das Signal I_S wird einem Vergleicher 82 zugeführt, und der Vergleicher 82 berechnet die Regeldifferenz zwischen dem Sollwert I_S und einem Strom-Istwert I. Die Regelabweichung wird einem Stromregler 84 zugeführt, der als RGL_I bezeichnet ist. Der Stromregler 84 kann bspw. einen P-Regler oder ein PID-Regler oder ein anderer Regler sein, wobei P für proportional, I für Integral und D für Differential steht. Der Stromregler 84 gibt als Stellwert bevorzugt eine Sollspannung U_S aus, welche dem Energiespeicher 20 zugeführt wird und dort ggf. eine Rekonfiguration der Module 40 bewirkt. Der Energiespeicher 20 wird somit andauernd umkonfiguriert, um einen den Spannungswert U1 folgenden Strom zu erzeugen und damit einen guten Leistungsfaktor zu generieren. Bei einer Verringerung des Spannungssollwerts U_S fließt mehr Strom in den Energiespeicher 20 und bei einer Erhöhung entsprechend weniger. In Abhängigkeit von der Sollspannung U_S erhöht bzw. erniedrigt sich der Ladestrom I, und dieser wird bspw. im Energiespeicher 20 gemessen und dem Vergleicher 82 zugeführt.
Im Ergebnis erhält man einen Ladestrom I, welcher im zeitlichen Verlauf dem zeitlichen Verlauf der Ladespannung entspricht, ggf. mit einer wählbaren Phasenverschiebung phi. Dies führt zu einem guten Leistungsfaktor.
Der Spannungswert U1 der gleichgerichteten Ladespannung kann alternativ aus den Eingangsspannungen auf der Wechselstromseite der Ladeeinheit 70 berechnet werden.
Das Vorsehen des Signalgenerators 80 ist ggf. unnötig, wenn es sich um einen weitgehend konstanten Gleichstrom handelt. Ein solcher weitgehend konstanter Gleichstrom entsteht auch bei der Gleichrichtung eines dreiphasigen Wechselstromsignals, und auch hier kann ggf. auf einen Signalgenerator 80 verzichtet werden.
12 zeigt den Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit einem Energiespeicher 120 nach dem Stand der Technik, bei welchem die Batteriezellen fest verdrahtet sind. An dem Energiespeicher 120 ist ein erster DC/DC-Wandler 16 vorgesehen, welcher bspw. eine Batterie 17 für das Bordnetz speist. Außerdem ist an dem Energiespeicher 120 ein zweiter DC/DC-Wandler 18 vorgesehen, dessen Ausgang mit einem Antriebsinverter 14 verbunden ist. Der Ausgang des Antriebsinverters 14 ist mit einem Wechselstrommotor 12 verbunden. Der zweite DC/DC-Wandler 18 dient dazu, die Spannung des Energiespeichers 120 auf eine vorgegebene Spannung zu wandeln, und der Antriebsinverter 14 erzeugt aus der Gleichspannung eine für den Wechselstrommotor geeignete Wechselspannung. Ein Ladeanschluss 72 und eine mit diesem verbundene Ladeeinheit 70 sind mit dem Energiespeicher 120 verbunden, um ein Laden des Energiespeichers zu ermöglichen.
Das Diagramm 122 zeigt die Spannung am Energiespeicher 120, aufgetragen über die Zeit. Es ist zu sehen, dass die Spannung mit der Zeit aufgrund der Entladung des Energiespeichers 120 abfällt, und bei sehr großer Last gibt es Spannungseinbrüche, die als Spikes auftreten.
13 zeigt eine Anordnung entsprechend 12, jedoch mit einem Energiespeicher 20, welcher rekonfigurierbar ist und an den Polen 27, 28 unterschiedliche Spannungen bereitstellen kann. Hierdurch ist es möglich, auf den zweiten DC/DC-Wandler 18 von 12 zu verzichten. Der Energiespeicher 20 hat neben den Polen 27, 28 zusätzliche zweite Pole 127, 128. Die Pole 127, 128 sind mit mindestens einem der Module 40 verbunden, und die maximale Spannung an den Polen 127, 128 ist geringer als die maximale Spannung an den Polen 27, 28. Am DC/DV-Wandler 16 ist eine Batterie 17A und an den zweiten Polen 127, 128 eine Batterie 17B vorgesehen. In Abhängigkeit von der Grundspannung eines der Module 40 und von der gewünschten Spannung an der Batterie 17B kann entschieden werden, ob ein Modul 40 ausreicht oder ob zwei oder mehr Module 40 erforderlich sind. Es ist möglich, die Pole 127, 128 direkt mit einer Energiespeichereinheit 50 eines Moduls 40 zu verbinden, und hierdurch erhält man fest die Spannung dieser Energiespeichereinheit 50. Es ist jedoch auch möglich, die Pole 127, 128 über eine oder mehrere der Verschalteinheiten 60 mit den Modulen 40 zu verbinden. Hierdurch kann beeinflusst werden, aus welchem Modul 40 die Speisung erfolgt, und es sind auch Zwischenspannungen möglich, indem bspw. eines der Module 40 abwechselnd seriell oder parallel geschaltet wird bzw. in einem zweiten Zustand überbrückt wird. Hierdurch stellt sich eine mittlere Spannung ein, die unterhalb der Spannung des entsprechenden Moduls 40 oder der entsprechenden Module 40 liegt.
Das Fahrzeug 10 hat die zweite Steuervorrichtung 21, und der Antriebsinverter 14 ist über die erste Datenleitung 23 mit der zweiten Steuervorrichtung 21 verbunden und dazu ausgebildet, ein erstes Datensignal 35 an die zweite Steuervorrichtung 21 zu übermitteln. Die zweite Steuervorrichtung 21 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem ersten Datensignal 35 einen Spannungssollwert U_S an die erste Steuervorrichtung 22 zu übertragen, vgl. 1.
Bevorzugt ist der zweite DC/DC-Wandler 16 mit Eingängen und Ausgängen vorgesehen, welche Eingänge direkt oder indirekt mit den zwei ersten Polen 27, 28 verbunden sind. Bevorzugt ist der zweite DC/DC-Wandler 16 über eine zweite Datenleitung 38 mit der zweiten Steuervorrichtung 21 verbunden und dazu ausgebildet, ein zweites Datensignal 37 an die zweite Steuervorrichtung 21 zu übermitteln. Die zweite Steuervorrichtung 21 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem ersten Datensignal 35 und dem zweiten Datensignal 37 der ersten Steuervorrichtung 22 einen Spannungssollwert U_S vorzugeben. Verbraucher wie der DC/DC-Wandler 16 und der Antriebsinverter 14 haben grundsätzlich oder in Abhängigkeit von der aktuellen Leistung unterschiedliche optimale Arbeitspunkte und große geeignete Bereiche für die Eingangsspannung. Dies kann z.B. ausgenutzt werden, indem dann, wenn einer der Verbraucher auf Grund hoher Verlustleistung sehr heiß wird, die Spannung des Energiespeichers 20 auf einen für diesen Verbraucher bevorzugten Wert gesetzt wird. Hierdurch kann der Verbraucher in einem guten Arbeitspunkt arbeiten und produziert weniger Verlustleistung. Die Temperatur kann sinken.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung. Der Energiespeicher 20 hat wie in 13 zweite Pole 127, 128, über welche eine Batterie 17B gespeist werden kann. Die Batterie 17B hat bspw. eine Spannung von 48 V. Die Batterie 17B ist über einen DC/DC-Wandler 19 mit einer Batterie 17A verbunden, die bspw. mit einer Spannung von 12 V arbeitet. Hierdurch können über die Pole 127, 128 mehrere Spannungen für unterschiedliche Verbraucher erzeugt werden.
Der DC/DC-Wandler 19 weist bevorzugt eine Trennvorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine galvanische Trennung zwischen den zwei zweiten Polen 127, 128 bzw. zwischen den Eingängen des DC/DC-Wandlers 19 und den Ausgängen des DC/DC-Wandlers 19 zu bewirken. Die Trennvorrichtung weist bevorzugt einen Transformator oder einen Kondensator auf.
15 zeigt eine Anordnung entsprechend 13, wobei die Pole 127, 128 im Energiespeicher 20 direkt mit einer Energiespeichereinheit 50 verbunden sind und somit unmittelbar die Spannung der entsprechenden Energiespeichereinheit 50 zur Verfügung stellen. Es können auch mehrere Energiespeichereinheiten 50 parallel und/oder seriell geschaltet werden.
16 zeigt eine Anordnung entsprechend 15, wobei die Ladeeinheit 70 einen AC/DC-Wandler bzw. Gleichrichter 71 aufweist. Im vorliegenden Fall ist ein passiver AC/DC-Wandler 71 gezeigt, der AC/DC-Wandler 71 kann jedoch auch aktiv sein. Das Diagramm 130 zeigt die Ausgangsspannung am AC/DC-Wandler 71 der Ladeeinheit 70, welches zusätzlich durch den Energiespeicher 20 beeinflusst ist. Bei Zuführung einer Wechselspannung am Ladeanschluss 72 hat die Ausgangsspannung entsprechend Diagramm 130 eine wellige Form. Es ist einerseits möglich, einen Stromregler entsprechend 11 zu verwenden, jedoch ohne einem Signalgenerator 80. Bei einer weitgehend konstanten Spannung am Ausgang der Ladeeinheit 70 ist dies gut möglich. Bei einer gewellten Spannung, wie sie im Diagramm 130 gezeigt ist, führt ein konstanter Ladestrom jedoch zu einem sehr schlechten Leistungsfaktor. Daher ist es vorteilhaft, die volle Funktionalität entsprechend 11 zu verwenden, bei der der Signalgenerator den Ladestrom in Abhängigkeit von der Spannung an der Ladeeinheit 70 regelt. Hierdurch wird der Leistungsfaktor stark verbessert. Die gezeigte Ausführungsform ist für eine einphasige Wechselspannung, wie sie bspw. für Grundverbraucher im Hausnetz bereitgestellt wird.
17 zeigt eine Anordnung entsprechend 16, wobei an einem Ausgang der Ladeeinheit 70 eine Induktivität 160 in der Verbindung zwischen diesem Ausgang und einem der Pole 27 oder 28 vorgesehen ist. Durch die Induktivität 160 wird eine Phasenverschiebung bewirkt und somit auch der Leistungsfaktor beeinflusst. Da im Hausnetz üblicherweise mehr kapazitive Lasten als induktive Lasten auftreten, ist das Vorsehen der Induktivität 160 positiv.
18 zeigt eine Anordnung entsprechend 17, wobei zwischen dem Ausgang der Ladeeinheit 70 und den Polen 27, 28 ein Filter 162 vorgesehen ist. Das Diagramm 122 zeigt die Spannung an den Polen 27, 28 des Energiespeichers 20, und durch die Umkonfigurierung der Module 40 hat die Spannung Stufen. Der Filter 162 hat beispielhaft zwischen den jeweiligen Ausgängen der Ladeeinheit 70 und den zugeordneten Polen 27, 28 eine Induktivität, und zwischen den Ausgängen der Ladeeinheit 70 und auch zwischen den Polen 27, 28 ist jeweils eine Kapazität in Form eines Kondensators vorgesehen. Durch das Filter wird die Stufigkeit der Spannung am Energiespeicher 20 geglättet, und dies entlastet das Stromnetz. Zudem wird bei der Verwendung einer Vorrichtung gemäß 11 die Messung der Spannung an der Ladeeinheit 70 erleichtert, da diese weniger von dem Energiespeicher 20 beeinflusst wird als ohne das Filter 162.
19 zeigt eine Anordnung entsprechend 16. Die Ladeeinheit 70 hat jedoch einen dreiphasigen Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler 71. Hierdurch kann am Ladeanschluss 72 auch ein Dreiphasen-Wechselstrom angeschlossen, der auch als Drehstrom bezeichnet wird.
20 zeigt eine Anordnung entsprechend 19, wobei wie in 18 ein Filter 162 zwischen der Ladeeinheit 70 und den Polen 27, 28 vorgesehen ist. Anstelle des Filters 162 ist auch das Vorsehen einer Induktivität 160 entsprechend 17 als Filter möglich. 21 zeigt eine Anordnung entsprechend 20, wobei die Ladeeinheit 70 einen vierphasigen Gleichrichter hat. Hierdurch ist die Gleichrichtung eines Wechselstromsignals mit drei Phasen L1, L2, L3 und einem Neutralleiter N möglich. Auch hier ist eine Verbindung zwischen der Ladeeinheit 70 und den Polen 27, 28 mit oder ohne Filter 162 möglich.
22 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einem Filter 162.
23 zeigt eine Anordnung entsprechend 13. Der Ladeanschluss 72 ermöglicht sowohl den Anschluss einer Gleichspannung als auch einer Wechselspannung. Die Gleichspannung wird wie in 13 den Polen 27, 28 zugeführt, entweder mit oder ohne Filter. Für die Ladung mit einem Wechselstrom, bspw. einem dreiphasigen Wechselstrom, verwendet die Ladeeinheit 70 den Antriebsinverter 14. Der Antriebsinverter 14 ist im normalen Betrieb dafür zuständig, aus einer Gleichspannung der Pole 27, 28 eine für den Wechselstrommotor 12 geeignete mehrphasige Spannung bereitzustellen. Hierzu hat der Antriebsinverter 14 eine Mehrzahl an Phasenanschlüssen 141, 142, 143. Derartige Antriebsinverter 14 können auch in umgekehrter Richtung als AC/DC-Wandler 71 dazu genutzt werden, eine mehrphasige Spannung in eine Gleichspannung zu wandeln. Hierzu sind die Phasenanschlüsse L1, L2 und L3 des Ladeanschlusses 72 mit den Phasenanschlüssen 141, 142, 143 des Antriebsinverters 14 verbunden. Der Neutralleiter N ist über eine Neutralleiterschaltung 164 mit den Polen 27, 28 verbunden. Beispielhaft hat die Neutralleiterschaltung 164 eine erste Diode, welche vom Neutralleiteranschluss N zum Pol 27 geschaltet ist, wobei die Kathode zum Pol 27 zeigt. Zwischen dem Neutralleiteranschluss N und dem Pol 28 ist ebenfalls eine Diode vorgesehen, wobei die Kathode zum Neutralleiteranschluss N zeigt.
Der Ladeanschluss 72 hat eine erste Ladeanschlusseinheit 72.1 für eine Gleichspannung und eine zweite Ladeanschlusseinheit 72.2 für eine Wechselspannung. Die erste Ladeanschlusseinheit 72.1 ist zumindest teilweise mit der Gleichstromseite des Antriebsinverters 14 verschaltet, und die zweite Ladeanschlusseinheit 72.2 ist zumindest teilweise mit der Wechselstromseite des Antriebsinverters 14 verschaltet. Bei der zweiten Ladeanschlusseinheit 72.2 kann jedoch der Neutralleiter mit der Gleichstromseite des Antriebsinverters 14 verschaltet sein.
24 zeigt eine Anordnung entsprechend 23, wobei die Neutralleiterschaltung 164, die eine Verbindung zwischen dem Neutralleiteranschlusses 72 und den Polen 27, 28 bereitstellt, aktiv mit zwei Schaltern ausgebildet ist. Die Schalter der Neutralleiterschaltung 164 können derart geschaltet werden, dass sie wie die Dioden von 23 wirken.
25 zeigt eine Anordnung entsprechend 23. Anders als in 23 sind zwischen den Dioden der Neutralleiterschaltung 164 und den jeweils zugeordneten Polen 27, 28 zusätzliche Induktivitäten vorgesehen. Die Induktivitäten sind bevorzugt gekoppelt, und sie bewirken eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung am Neutralleiter N und am jeweiligen Pol 27, 28.
26 zeigt eine Anordnung entsprechend 23, jedoch für einen einphasigen Wechselstromanschluss, wie er bspw. in Haushalten Verwendung findet. Der Ladeanschluss 72 ist gleichstromseitig direkt mit den Polen 27, 28 verbunden. Wechselstromseitig wird der Antriebsinverter 14 in umgekehrter Richtung für die AC/DC-Wandlung verwendet. Hierzu sind drei Leitungen L1, L2, L3 vorgesehen, welche einerseits mit den Phasenanschlüssen 141, 142, 143 des Antriebsinverters 14 verbunden sind und andererseits über Schalter 168 mit dem Ladeanschluss 72 verbunden sind. Bei Hausanschlüssen ist üblicherweise nicht eindeutig vorgegeben, an welchem Anschluss der Neutralleiter und an welchem Anschluss die Phase anliegt. Daher kann die Ladeeinheit 70 durch Messung feststellen, an welchem Anschluss die Phase anliegt, und über die Schalter kann anschließend eingestellt werden, wie die Verschaltung zwischen dem Ladeanschluss 72 und den Phasenanschlüssen 141, 142, 143 erfolgt.
27 zeigt eine Anordnung entsprechend 15. Die Ladeeinheit 70 weist einen Gleichrichter 171, einen Wechselrichter 172, einen Transformator 173, einen Gleichrichter 174 und einen Kondensator 175 auf. Die gezeigte Ladeeinheit 70 ermöglicht sowohl eine Speisung mit einem Gleichstrom als auch mit einem Wechselstrom. Bei einem Wechselstrom erfolgt eine Gleichrichtung durch den Gleichrichter 171. Der Gleichstrom wird anschließend durch den Wechselrichter 172 derart umgewandelt, dass auf der Primärseite des Transformators 173 ein Wechselstrom auftritt. Dieser wird durch den Transformator 173 auf die Sekundärseite übertragen, und hierbei kann eine Anpassung der Spannung auf einen gewünschten Wert erfolgen. Das Signal auf der Sekundärseite des Transformators 173 wird anschließend über den Gleichrichter 174 gleichgerichtet und über den Kondensator 175 geglättet.
Die Wechselspannung am Hausnetz hat üblicherweise eine vergleichsweise niedrige Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz, und der Transformator 173 wäre bei einer solchen Frequenz sehr groß. Über den Wechselrichter 172 ist es dagegen möglich, eine Wechselspannung mit deutlich höherer Frequenz bereitzustellen, und hierdurch kann der Transformator 173 kleiner ausgebildet werden, bspw. in etwa faustgroß.
28 zeigt eine Anordnung entsprechend 26. Anders als in 26 hat die Ladeeinheit 70 wechselstromseitig vier Verbindungen L1, L2, L3 und N, wobei die Verbindungen L1, L2 und L3 mit den Phasenanschlüssen 141, 142 und 143 des Antriebsinverters 14 verbunden sind, und der Anschluss N mit dem Wechselstrommotor 12 verbunden ist. Bei einem Wechselstrommotor 12 mit Sternschaltung kann der Anschluss N direkt mit dem Sternpunkt der Sternschaltung verbunden werden. Die Schalter 168 dienen dazu, auf Ladestecker mit unterschiedlicher Belegung der Pins reagieren zu können, da, bspw. wie oben besprochen, bei Hausanschlüssen die Zuordnung der Phasen zu den Anschlüssen nicht eindeutig ist.
29 zeigt eine Anordnung entsprechend 28, wobei keine Schalter 168 der Ladeeinheit 70 vorgesehen sind. Dies ist möglich, wenn eine feste Zuordnung der Phasen zum Ladeanschluss 72 vorliegt. An den Polen 27, 28 ist zusätzlich ein Hochvolt-Bordnetz dargestellt, welches bspw. mit 800 V arbeitet. Über das Hochvolt-Bordnetz 178 kann bspw. eine Heizung für den Innenraum oder eine Heizung für die Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden. Der Energiespeicher 20 hat zusätzlich zweite Pole 127, 128, an welchen ein weiteres Hochvolt-Bordnetz 177 vorgesehen ist. Hierdurch können weitere Komponenten im Fahrzeug mit einer weiteren Spannung versehen werden, bspw. mit einer Spannung von 400 V. Bevorzugt wird das Hochvolt-Bordnetz 177 für die Stromversorgung eines Klimakompressors verwendet.
Die zweiten Pole 127, 128 sind bevorzugt mit der Verschaltvorrichtung 58 des Energiespeichers 20 verbunden, wobei sich bevorzugt zwischen den zweiten Polen 127, 128 eine Untergruppe der Module 40 befindet, um durch die Verschaltvorrichtung 58 eine geeignete Spannung für das Hochvolt-Bordnetz 177 zu erzeugen.
30 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung der Spannung an den zweiten Polen 127, 128 mit Hilfe der Verschaltvorrichtung 58. Es wurde beispielhaft die Verschaltung 60.1 von 9 gewählt. Die Erzeugung der Spannung an den zweiten Polen 127, 128 wird beispielhaft für eine serielle Verschaltung der Energiespeichereinheiten 50 gezeigt. Bei einer seriellen Verschaltung ist der Pluspol einer Energiespeichereinheit 50 jeweils mit dem Minuspol einer benachbarten Energiespeichereinheit 50 verbunden. Auf der linken Seite ist der Pol 127 mit dem oberen Zweig verbunden, und auf der rechten Seite ist der Pol 128 mit der unteren Seite verbunden. Bei der seriellen Verschaltung ist entweder nur der obere Zweig oder der untere Zweig der Verbindung zwischen den benachbarten Energiespeichereinheiten 50 erforderlich. Der negative Anschluss der Energiespeichereinheit 50 ist bei der gezeigten Verschaltung mit dem Pol 127 verbunden, und der positive Anschluss der Energiespeichereinheit 50 mit dem Pol 128. Hierdurch liegt die Spannung der Energiespeichereinheit 50 an einem zur Glättung vorgesehenen Kondensator 166 und an der hierzu parallel geschalteten Batterie 17 an. Dieser Zustand wird als erster Zustand Z1 bezeichnet.
31 zeigt die Anordnung von 30 in einem zweiten Zustand Z2. In diesem zweiten Zustand Z2 ist die Energiespeichereinheit 50 überbrückt, indem die serielle Verschaltung nicht über die Energiespeichereinheit 50 verläuft, sondern auf der Unterseite an dieser vorbei. Hierdurch liegt die Spannung der Energiespeichereinheit 50 nicht an den Polen 127, 128 an. Bei der vorliegenden Verschaltung 60.1 kann die serielle Verschaltung auch ohne Überbrückung im zweiten Zustand Z2 aufrechterhalten werden, indem die Verbindung von der Energiespeichereinheit 50 nach rechts über die obere Leitung geschaltet wird. Damit ist die untere Schaltung, an der der zweite Pol 128 angeschlossen ist, ebenfalls von der Energiespeichereinheit 50 getrennt. Auch bei einer Parallelverschaltung der Energiespeichereinheiten 50 ist es möglich, die entsprechende Energiespeichereinheit 50 an den zweiten Polen 127, 128 anzuschließen oder nicht. Bei einer parallelen Verschaltung werden sowohl die oberen als auch die unteren Verbindungen benötigt, die Verschaltung kann jedoch so erfolgen, dass der positive Zweig entweder über die obere oder über die untere Verbindung verschaltet ist und der negative Zweig über die entsprechend andere Verbindung.
32 zeigt beispielhaft den Spannungsverlauf U166 am Kondensator 166. Im Zustand Z1 liegt die Spannung U50 der Energiespeichereinheit 50 an den zweiten Polen 127, 128 an, und daher steigt die Spannung U166 am Kondensator 166. Während des Zustands Z2 wird der Kondensator 166 nicht durch die Energiespeichereinheit 50 gespeist, und daher fällt die Spannung U166 bei angeschlossenem Verbraucher ab. Anschließend erfolgt wieder ein Wechsel in den Zustand Z1 usw. Durch die Ausnutzung der Verschaltvorrichtung 58 kann somit im Mittel an den zweiten Polen 127, 128 eine vorgegebene Spannung erreicht werden. Das Umschalten zwischen dem ersten Zustand Z1 und dem zweiten Zustand Z2 kann bspw. über einen Spannungsregler erfolgen oder allgemein über eine Spannungssteuerung.
33 zeigt ein sinusförmiges Signal, wie es bevorzugt von den Antriebsinvertern 14 zur Ansteuerung des zugeordneten Wechselstrommotors 12 erzeugt wird. Die Antriebsinverter 14 arbeiten bevorzugt mit einem Signalgenerator, welcher eine Auflösung von 8 Bit verwendet und damit 256 unterschiedliche Werte annehmen kann. Bei hohen Leistungen erzeugt der Antriebsinverter 14 am Wechselstromausgang hohe Ströme bzw. hohe Spannungen. Damit kann der Signalgenerator die vorhandene Auflösung gut ausnutzen und ein geeignetes sinusförmiges Signal bilden.
34 zeigt das sinusförmige Signal von 33, wenn der Signalgenerator nur wenige Stufen bzw. eine geringe Auflösung zur Verfügung hat. Dies kann bspw. dann der Fall sein, wenn der Wechselstrommotor 12 nur wenig Energie benötigt, bspw. beim Einparken. In dem gewünschten geringen Spannungsbereich stehen nur wenige Auflösungsstufen des Signalgenerators zur Verfügung. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, wenn der Antriebsinverter 14, wie in 13 gezeigt, der zweiten Steuervorrichtung 21 mitteilt, dass nur eine geringe Leistung benötigt wird bzw., dass eine niedrigere Spannung des Energiespeichers 20 vorteilhaft wäre. Die zweite Steuervorrichtung 21 kann unter Berücksichtigung der Zustandsdaten der anderen Verbraucher bestimmen, ob eine Senkung der Spannung des Energiespeichers 20 möglich ist und ggf. der ersten Steuervorrichtung 22 mitteilen, dass die Spannung des Energiespeichers 20 gesenkt werden soll. Bei einer niedrigeren Spannung U am Antriebsinverter 14 kann die Auflösung des Signalgenerators besser ausgenutzt werden und ein gutes sinusförmiges Signal für die Phasen des Wechselstrommotors 12 erzeugt werden.
Anders ausgedrückt reicht bei sehr niedriger Ausgangsspannung des Antriebsinverters 14 die Quantisierung nicht mehr aus, um einen schönen Sinus zu erzeugen. Der Antriebsinverter 14 kann dann eine niedrigere Spannung anfordern und mit dieser besser arbeiten. Eine bessere Ausgangsspannung an den Phasenanschlüssen führt zu einem höheren Wirkungsgrad und auch zu einer geringeren Verzerrung.
In gleicher Weise kann eine Absenkung der Spannung U bspw. für den Antriebsinverter 14 vorteilhaft sein, wenn dieser hierdurch in einen Arbeitspunkt versetzbar ist, bei dem eine höhere Effizienz möglich ist.
Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Als Energiespeichereinheit wurden jeweils eine oder mehrere Batteriezellen oder Brennstoffzellen vorgeschlagen. Es ist aber grundsätzlich jede Spannungsquelle möglich.
Als Datenleitungen wurden drahtgebundene Datenleitungen genannt. An Stelle dieser ist auch die Verwendung drahtloser Datenleitungen möglich, entweder bei einem Teil oder bei allen genannten Datenleitungen 30, 24 etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010261043 A1 [0009]
US 2011001442 A1 [0010]
US 2014183939 A1 [0011]
WO 2016/174117 A1 [0012]
EP 2879266 A1 [0013]
WO 2017/016675 A1 [0067]
WO 2017/016674 A1 [0067]
DE 102011108920 A1 [0067]
DE 102010052934 A1 [0067]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 [0067]
M. Perez, S. Bernet, J. Rodriguez, S. Kouro, R. Lizana (2015), Circuit topologies, modelling, control schemes, and applications of modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 4-17. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310127 [0067]

Claims

Fahrzeug (10) mit einem Energiespeicher (20), einem Antriebsinverter (14) und einer Ladeeinheit (70), welcher Energiespeicher (20) eine erste Steuervorrichtung (22), Module (40), eine Verschaltvorrichtung (58) und zwei erste Pole (27, 28) aufweist, an welchen ersten Polen (27, 28) der Antriebsinverter (14) angeschlossen ist, welche Module (40) jeweils eine Energiespeichereinheit (50) aufweisen, und welche Verschaltvorrichtung (58) Verbindungen (25) zwischen den Modulen (40) und an den Verbindungen (25) vorgesehene erste Schalter (62) aufweist, um in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter (62) unterschiedliche Verschaltungen der Module (40) und unterschiedliche Spannungen (U) an den ersten Polen (27, 28) zu ermöglichen, welche unterschiedlichen Verschaltungen der Module (40) mindestens zwei Verschaltungen ermöglichen aus der Gruppe von Verschaltungen bestehend aus - Parallelverschaltung von zwei Modulen (40), - Seriellverschaltung von zwei Modulen (40), - Überbrückung mindestens eines Moduls (40), und welche erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Verschaltvorrichtung (60) in Abhängigkeit von einem Spannungssollwert (U_S) anzusteuern, um in Abhängigkeit vom Spannungssollwert (U_S) die Spannung (U) an den ersten Polen (27, 28) zu beeinflussen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, bei welchem der Energiespeicher zwei zweite Pole (127, 128) aufweist, welche zwei zweiten Pole (127, 128) mit mindestens einer der Energiespeichereinheiten (50) verbindbar sind, wobei die maximale Spannung an den zweiten Polen (127, 128) geringer ist als die maximale Spannung an den ersten Polen (27, 28).
Fahrzeug nach Anspruch 2, bei welchem die zweiten Pole (127, 128) über die Verschaltvorrichtung (58) mit der mindestens einen Energiespeichereinheit (50) verbindbar sind, um über die ersten Schalter (62) der Verschaltvorrichtung (58) die Spannung an den zwei zweiten Polen (127, 128) zu beeinflussen.
Fahrzeug nach Anspruch 3, bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Verschaltvorrichtung (58) abwechselnd zwischen einem ersten Zustand (Z1) und einem zweiten Zustand (Z2) hin und her zu schalten, bei welchem ersten Zustand die zwei zweiten Pole (127, 128) mit der mindestens einen Energiespeichereinheit (50) derart verbunden sind, dass die mindestens eine Energiespeichereinheit (50) eine Spannung an den zwei zweiten Polen (127, 128) bewirkt, und bei welchem zweiten Zustand (Z2) die zwei zweiten Pole (127, 128) derart verschaltet sind, dass die mindestens eine Energiespeichereinheit (50) keine oder eine geringere Spannung an den zwei zweiten Polen (127, 128) bewirkt, um im Mittel eine Spannung an den zwei zweiten Polen (127, 128) bereit zu stellen, die geringer ist als die Spannung der mindestens einen Energiespeichereinheit (50) im ersten Zustand.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welchem zwischen den zwei zweiten Polen (127, 128) ein Kondensator (166) vorgesehen ist, um die Spannung an den zwei zweiten Polen (127, 128) zu glätten.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 5, welches einen ersten DC/DC-Wandler (19) mit ersten Eingängen und ersten Ausgängen aufweist, welche ersten Eingänge direkt oder indirekt mit den zwei zweiten Polen (127, 128) verbunden sind, um an den ersten Ausgängen eine zusätzliche Spannung bereit zu stellen, welche zusätzliche Spannung bevorzugt kleiner ist als die Spannung an den zwei zweiten Polen (127, 128).
Fahrzeug nach Anspruch 6, bei welchem der erste DC/DC-Wandler (19) eine Trennvorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine galvanische Trennung zwischen den ersten Eingängen und den ersten Ausgängen zu bewirken, welche Trennvorrichtung bevorzugt einen Transformator oder einen Kondensator aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine zweite Steuervorrichtung (21) aufweist, und bei welchem der Antriebsinverter (14) über eine erste Datenleitung (23) mit der zweiten Steuervorrichtung (21) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein erstes Datensignal (35) an die zweite Steuervorrichtung (21) zu übermitteln, und welche zweite Steuervorrichtung (21) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem ersten Datensignal (35) einen Spannungssollwert (U_S) an die erste Steuervorrichtung (22) zu übertragen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, welches einen zweiten DC/DC-Wandler (16) mit zweiten Eingängen und zweiten Ausgängen aufweist, welche zweiten Eingänge direkt oder indirekt mit den zwei zweiten Polen (127, 128) verbunden sind, welcher zweite DC/DC-Wandler (16) über eine zweite Datenleitung (38) mit der zweiten Steuervorrichtung (21) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein zweites Datensignal (37) an die zweite Steuervorrichtung (21) zu übermitteln, und welche zweite Steuervorrichtung (21) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem ersten Datensignal (35) und dem zweiten Datensignal (37) der ersten Steuervorrichtung (22) einen Spannungssollwert (U_S) vorzugeben.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ladeeinheit (70) einen Ladeanschluss (72) und einen AC/DC-Wandler (71) mit dritten Eingängen und dritten Ausgängen aufweist, welche dritten Eingänge mit dem Ladeanschluss (72) verbunden sind, und welche dritten Ausgänge mit den ersten Polen (27, 28) verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 10, bei welchem zwischen den dritten Ausgängen und den ersten Polen (27, 28) ein Filter (162) vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem die Ladeeinheit (70) einen Stromregler (80, 82, 84) und eine erste Messvorrichtung (74) zur Erzeugung eines ersten Signals (I) in Abhängigkeit von der Höhe des Ladestroms (64) aufweist, welchem Stromregler (80, 82, 84) ein Stromreglersollwert (I_S) als Sollwert und das erste Signal (I) als Istwert zugeführt wird, welcher Stromregler (80, 82, 84) als Stellgröße den Spannungssollwert (U_S) an die erste Steuervorrichtung (22) ausgibt, um den Istwert (I) auf den Sollwert (I_S) zu regeln.
Fahrzeug nach Anspruch 12, bei welchem der Istwert (I) in Abhängigkeit von der Spannung (U1) an den dritten Ausgängen vorgegeben wird.
Fahrzeug nach Anspruch 13, bei welchem eine Phasendifferenz (phi) zwischen dem Istwert (I) und der Spannung (U_S) an den dritten Ausgängen vorgegeben ist, um den Leistungsfaktor zu beeinflussen.
Fahrzeug nach Anspruch 14, bei welchem dem Stromregler (80, 82, 84) die Phasendifferenz (phi) durch einen Geber (78) veränderbar vorgebbar ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei welchem der AC/DC-Wandler (71) dadurch ausgebildet ist, dass der Antriebsinverter (14) in umgekehrter Richtung für den Ladevorgang genutzt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 16, bei welchem der Ladeanschluss (72) einen ersten Anschlusspunkt für einen Nullleiter (N) aufweist, und bei welchem der erste Anschlusspunkt über Dioden oder über Schalter mit den zwei ersten Polen (27, 28) verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 17, bei welchem der Ladeanschluss (72) eine erste Ladeanschlusseinheit (72.1) für eine Gleichspannung und eine zweite Ladeanschlusseinheit (72.2) für eine Wechselspannung aufweist, welche erste Ladeanschlusseinheit (72.1) zumindest teilweise mit der Gleichstromseite des Antriebsinverters (14) verschaltet ist, und welche zweite Ladeanschlusseinheit (72.2) zumindest teilweise mit der Wechselstromseite des Antriebsinverters (14) verschaltet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei welchem der AC/DC-Wandler (71) vier Zweige hat, um wahlweise einen Anschluss eines dreiphasigen Wechselstromsignals oder eines einphasigen Wechselstromsignals zu ermöglichen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 19, bei welchem der AC/DC-Wandler (71) aktiv oder passiv ausgebildet ist.