DE102022200064A1 - Method for controlling an electrical power supply system and power supply system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen Energieversorgungssystem (10) für ein Fahrzeug, wobei das Energieversorgungssystem (10) ein Batteriesystem (12) mit einem ersten Kontakt (20) und einem zweiten Kontakt (22) für einen Stromkreis (32) aufweist, wobei das Batteriesystem (12) zumindest zwei Batterien (18) und ein Schaltsystem (34) mit zumindest einem elektrischen Schalter (36, 38, 40) und einer Steuerung (42) aufweist, wobei das Schaltsystem (34) die zumindest zwei Batterien (18) elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet zwischen dem ersten Kontakt (20) und dem zweiten Kontakt (22) schalten kann, und wobei das Energieversorgungssystem (10) einen Inverter (28) zum Umwandeln der am ersten Kontakt (20) und am zweiten Kontakt (22) anliegenden Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist, wobei der Inverter (28) einen ersten Eingang (24) für den ersten Kontakt (20) und einen zweiten Eingang (26) für den zweiten Kontakt (22) sowie zumindest zwei Ausgänge (30) für die Wechselspannung aufweist: während des Betriebes des Fahrzeuges erfolgt eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterien (18) durch das Schaltsystem (30), wobei die Umschaltung in Abhängigkeit von Fahrparametern und/oder Verbrauchsparametern des Fahrzeugs und/oder des Energieversorgungssystems (10) erfolgt.Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Energieversorgungssystem (10), dass zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.The invention relates to a method for controlling an electrical energy supply system (10) for a vehicle, the energy supply system (10) having a battery system (12) with a first contact (20) and a second contact (22) for a circuit (32), wherein the battery system (12) has at least two batteries (18) and a switching system (34) with at least one electrical switch (36, 38, 40) and a controller (42), wherein the switching system (34) has the at least two batteries (18 ) can be connected electrically in series or in parallel between the first contact (20) and the second contact (22), and wherein the power supply system (10) has an inverter (28) for converting the signals at the first contact (20) and at the second contact ( 22) applied DC voltage into an AC voltage, the inverter (28) having a first input (24) for the first contact (20) and a second input (26) for the second contact (22) and at least two outputs (30) for has the alternating voltage: during operation of the vehicle, the switching system (30) switches between the series connection and the parallel connection of the batteries (18), the switchover depending on driving parameters and/or consumption parameters of the vehicle and/or the energy supply system (10 ).The invention also relates to an energy supply system (10) that is designed to carry out this method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen Energieversorgungssystems für ein Fahrzeug, wobei das Energieversorgungssystem ein Batteriesystem mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt für einen Stromkreis sowie einen Inverter zum Umwandeln der am ersten Kontakt und am zweiten Kontakt anliegenden Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein solches Energieversorgungssystem.The invention relates to a method for controlling an electrical energy supply system for a vehicle, the energy supply system having a battery system with a first contact and a second contact for a circuit and an inverter for converting the direct voltage present at the first contact and at the second contact into an alternating voltage. The invention also relates to such an energy supply system.
Bei Elektrofahrzeugen haben sich Energieversorgungssysteme mit verschiedenen Spannungsbereichen etabliert. Beispielsweise hat sich bei vielen Fahrzeugen ein System mit einer Zwischenkreisnennspannung von 400 V etabliert. Parallel dazu hat sich in einigen Fahrzeugen ein 800 V-System etabliert. Die verschiedenen Systeme haben unterschiedliche Vorteile und Nachteile. Beispielsweise kann ein System mit einer hohen Zwischenkreisspannung bei gleicher Stromstärke eine höhere Leistung bereitstellen und an entsprechend ausgebildeten Ladesäulen schneller geladen werden. Ein solches System hat aber den Nachteil, dass es teurer ist.Energy supply systems with different voltage ranges have become established in electric vehicles. For example, a system with a nominal intermediate circuit voltage of 400 V has become established in many vehicles. At the same time, an 800 V system has established itself in some vehicles. The different systems have different advantages and disadvantages. For example, a system with a high intermediate circuit voltage can provide higher power with the same current intensity and can be charged more quickly at appropriately designed charging stations. However, such a system has the disadvantage that it is more expensive.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Energieversorgungssystems sowie ein solches Energieversorgungssystem bereitzustellen, wobei eine Optimierung des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der jeweiligen Leistung erfolgen soll.The object of the invention is to provide a method for controlling an electrical energy supply system and such an energy supply system, in which case the efficiency is to be optimized as a function of the respective output.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei das Energieversorgungssystem ein Batteriesystem mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt für einen Stromkreis aufweist. Das Batteriesystem weist zumindest zwei Batterien und ein Schaltsystem mit zumindest einem elektrischen Schalter und einer Steuerung auf. Das Schaltsystem kann die zumindest zwei Batterien elektrisch in Reihe oder parallel zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt schalten. Das Energieversorgungssystem weist des Weiteren einen Inverter zum Umwandeln der am ersten Kontakt und am zweiten Kontakt anliegenden Gleichspannung in eine Wechselspannung auf, wobei der Inverter einen ersten Eingang für den ersten Kontakt und einen zweiten Eingang für den zweiten Kontakt sowie zumindest zwei Ausgänge für die Wechselspannung aufweist. Während des Betriebes des Fahrzeuges erfolgt eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterien durch das Schaltsystem, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit von Fahrparametern und/oder Verbrauchsparametern des Fahrzeugs und/oder des Energieversorgungssystems erfolgt.A method for controlling an electrical energy supply system for a vehicle is provided in order to achieve the object, the energy supply system having a battery system with a first contact and a second contact for an electric circuit. The battery system has at least two batteries and a switching system with at least one electrical switch and a controller. The switching system can electrically connect the at least two batteries in series or in parallel between the first contact and the second contact. The energy supply system also has an inverter for converting the DC voltage present at the first contact and at the second contact into an AC voltage, the inverter having a first input for the first contact and a second input for the second contact and at least two outputs for the AC voltage . During operation of the vehicle, the switching system switches between connecting the batteries in series and connecting them in parallel, with the switching taking place as a function of driving parameters and/or consumption parameters of the vehicle and/or the energy supply system.
Im Stand der Technik ist bekannt, ein Batteriesystem aus mehreren Batterien bzw. mehreren Batteriemodulen herzustellen, wobei die Batterien bzw. die Batteriemodule elektrisch in Reihe geschaltet sind, um die erforderliche Spannung bereitzustellen. Um ein möglichst flexibles Aufladen des Batteriesystems zu ermöglichen, können die einzelnen Batterien bzw. Batteriemodule in mehrere Einheiten unterteilt werden, die elektrisch parallel zueinander geschaltet werden können. Die parallel geschalteten Batterien weisen eine geringere Spannung auf, sodass diese auch mit einer geringeren Spannung aufgeladen werden können. Beispielsweise kann eine 800 V-Batteriesystem in zwei 400 V-Batterien aufgeteilt werden, die im regulären Fahrzeugbetrieb in Reihe geschaltet sind. Zum Laden des Batteriesystems an einer 800 V-Station wird diese Reihenschaltung beibehalten. Zum Laden des Batteriesystem an einer 400 V-Station können die Batterien elektrisch parallel geschaltet werden, so dass das Batteriesystem eine Spannung von 400V hat und an der 400 V-Station geladen werden kann. Das Batteriesystem hat hierzu ein Schaltsystem, dass zumindest einen elektrischen Schalter und eine Steuerung für den Schalter aufweist.It is known in the prior art to produce a battery system from a plurality of batteries or a plurality of battery modules, with the batteries or the battery modules being electrically connected in series in order to provide the required voltage. In order to enable the battery system to be charged as flexibly as possible, the individual batteries or battery modules can be divided into several units which can be electrically connected in parallel with one another. Batteries connected in parallel have a lower voltage, so they can also be charged with a lower voltage. For example, an 800V battery system can be split into two 400V batteries that are connected in series in regular vehicle operation. This series connection is maintained for charging the battery system at an 800 V station. To charge the battery system at a 400 V station, the batteries can be electrically connected in parallel so that the battery system has a voltage of 400 V and can be charged at the 400 V station. For this purpose, the battery system has a switching system that has at least one electrical switch and a controller for the switch.
Erfindungsgemäß wird dieses System nicht nur zum Laden des Batteriesystems verwendet, sondern auch im regulären Fahrzeugbetrieb, also wenn das Batteriesystem mit dem Stromkreis des Fahrzeugs verbunden ist und die Verbraucher des Fahrzeugs mit Strom versorgt. Die Verbraucher des Fahrzeugs können somit wechselweise mit verschiedenen Spannungen, beispielsweise mit 400 V oder 800 V, versorgt werden. Dadurch können die Verbraucher in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Leistung besser angesteuert werden, sodass ein höherer Wirkungsgrad der Verbraucher erzielt werden kann. Insbesondere können durch die Auswahl der Spannung die Verluste im Verbraucher oder im Inverter reduziert werden, so dass der Wirkungsgrad des Verbrauchers oder des Inverters verbessert werden kann.According to the invention, this system is used not only for charging the battery system, but also during regular vehicle operation, ie when the battery system is connected to the vehicle's circuit and supplies the vehicle's consumers with electricity. The consumers of the vehicle can thus be alternately supplied with different voltages, for example 400 V or 800 V. As a result, the consumers can be controlled better depending on the power required in each case, so that a higher efficiency of the consumers can be achieved. In particular, the losses in the load or in the inverter can be reduced by the selection of the voltage, so that the efficiency of the load or the inverter can be improved.
Ein weiterer Vorteil kann sein, dass aufgrund der geringeren Verluste die Erwärmung der Verbraucher oder des Inverters reduziert werden, sodass der Aufwand zur Kühlung der Bauteile reduziert sein kann.Another advantage can be that due to the lower losses, the heating of the consumers or the inverter can be reduced, so that the cost of cooling the components can be reduced.
Aufgrund der Zwischenkreiskapazitäten des Inverters und/oder einzelner Verbraucher soll die Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung nicht schlagartig erfolgen. Bevor der Stromkreis nach einer Umschaltung durch den Hauptschalter wieder geschlossen wird, erfolgt eine Vorladung oder eine Entladung der Zwischenkreiskapazität durch den Vorladekreis. Um eine frühzeitige Alterung der Schaltelemente zu vermeiden, erfolgt daher vorzugsweise eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterien nur, wenn am ersten Kontakt und am zweiten Kontakt und/oder an den Ausgängen des Inverters im Wesentlichen kein Strom anliegt.Because of the intermediate circuit capacitances of the inverter and/or individual loads, the changeover between the series connection and the parallel connection should not take place abruptly. Before the circuit is closed again after a switchover by the main switch, the intermediate circuit capacitance is precharged or discharged by the precharging circuit. In order to avoid premature aging of the switching elements, switching is therefore preferably carried out Connection between the series connection and the parallel connection of the batteries only if there is essentially no current present at the first contact and at the second contact and/or at the outputs of the inverter.
Beispielsweise wird vor der Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Inverter so angesteuert wird, dass an den Ausgängen des Inverters im Wesentlichen kein Strom anliegt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schalter innerhalb des Inverters, beispielsweise Halbleiterrelais, geöffnet werden, sodass der Stromkreis durch den Inverter vollständig unterbrochen wird. Dadurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass an den Ausgängen des Inverters kein Strom anliegt.For example, before switching between the series connection and the parallel connection, the inverter is driven in such a way that essentially no current is present at the outputs of the inverter. This can be achieved, for example, by opening the switches within the inverter, e.g. solid-state relays, so that the circuit through the inverter is completely broken. This makes it easy to ensure that no current is present at the outputs of the inverter.
Alternativ kann vor der Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung das Schaltsystem so angesteuert wird, dass am ersten Kontakt zweiten Kontakt im Wesentlichen kein Strom anliegt. Das Schaltsystem ist üblicherweise dazu ausgebildet, eine Parallelschaltung oder eine Reihenschaltung der Batterien herzustellen. Bei einer entsprechenden Anordnung des Schaltsystems können die Batterien aber auch durch das Schaltsystem vollständig vom Inverter getrennt werden, sodass unabhängig vom Inverter sichergestellt werden kann, dass am Inverter und somit auch an den Ausgängen des Inverters kein Strom anliegt.Alternatively, before switching between the series connection and the parallel connection, the switching system can be controlled in such a way that essentially no current is present at the first contact and second contact. The switching system is usually designed to connect the batteries in parallel or in series. With a corresponding arrangement of the switching system, however, the batteries can also be completely separated from the inverter by the switching system, so that it can be ensured independently of the inverter that no current is present at the inverter and thus also at the outputs of the inverter.
Beispielsweise können auch zusätzliche Schalter vorgesehen sein, die üblicherweise eine Sicherheitseinrichtung darstellen, die bei Bedarf das Batteriesystem vollständig vom Stromkreis des Fahrzeugs trennen kann.For example, additional switches can also be provided, which usually represent a safety device that can completely disconnect the battery system from the vehicle's electrical circuit if necessary.
Des Weiteren kann eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung erfolgen, wenn kein Stromverbrauch durch einen Verbraucher erfolgt. Beispielsweise kann das Energieversorgungssystem erkennen, dass aktuell kein oder nur ein sehr geringer Strombedarf durch die Verbraucher vorliegt. Dieser Zeitpunkt kann ausgenutzt werden, um zwischen der Einschaltung und der Parallelschaltung der Batterien umzuschalten.Furthermore, a switchover between the series connection and the parallel connection can take place if no current is consumed by a consumer. For example, the energy supply system can recognize that there is currently no or only a very low demand for electricity from the consumers. This instant can be used to switch between switching on and connecting the batteries in parallel.
Zusätzlich kann eine Strommessung durch eine Strommesseinrichtung erfolgen und eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung erfolgt nur, wenn die Strommesseinrichtung feststellt, dass im Wesentlichen kein Strom am ersten Kontakt und am zweiten Kontakt und/oder an den Ausgängen des Inverters anliegt. Dadurch ist sichergestellt, dass keine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung erfolgt, wenn ein zu hoher Strom an den Eingängen und/oder den Ausgängen des Inverters anliegt.In addition, a current measurement can be carried out by a current measuring device and a switchover between the series connection and the parallel connection only takes place if the current measuring device determines that essentially no current is present at the first contact and at the second contact and/or at the outputs of the inverter. This ensures that there is no switchover between the series connection and the parallel connection if the current at the inputs and/or the outputs of the inverter is too high.
Die Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung erfolgt in Abhängigkeit von Verbrauchsparametern und/oder Fahrparametern des Fahrzeugs. Insbesondere kann die Umschaltung so erfolgen, dass der Elektromotor des Fahrzeugs stets in einem optimalen Wirkungsgradbereich betrieben wird. Beispielsweise kann bei niedrigen Geschwindigkeiten auf die Parallelschaltung der Batterien umgeschaltet werden, um durch die niedrigere Spannung einen besseren Wirkungsgrad bzw. geringere Verluste zu erzielen. Steigt die Geschwindigkeit an oder wird eine größere Leistung benötigt, kann auf die Reihenschaltung der Batterien, also eine höhere Spannung, umgeschaltet werden.Switching between the series connection and the parallel connection takes place as a function of consumption parameters and/or driving parameters of the vehicle. In particular, the switching can take place in such a way that the electric motor of the vehicle is always operated in an optimum efficiency range. For example, at low speeds, the batteries can be switched to parallel connection in order to achieve better efficiency and lower losses due to the lower voltage. If the speed increases or if more power is required, the batteries can be connected in series, i.e. with a higher voltage.
Ein erster Verbrauchsparameter kann beispielsweise der aktuelle Stromverbrauch und/oder ein abgeschätzter zukünftiger Stromverbrauch sein. Beispielsweise kann der zukünftige Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Fahrweise oder zusätzlichen Informationen, beispielsweise eines Navigationssystems, abgeschätzt werden. Ist eine niedrige Geschwindigkeit zu erwarten, beispielsweise aufgrund des Streckenverlaufs, kann auf die Parallelschaltung umgeschaltet werden. Dies kann beispielsweise auch vorab in einem günstigen Moment erfolgen, beispielsweise wenn der Fahrer die abgerufene Leistung des Fahrzeugs reduziert, um abzubremsen. Ist dagegen aufgrund des Streckenverlaufs damit zu rechnen, dass eine höhere Leistung abgerufen wird, kann bereits vorab auf die Reihenschaltung der Batterien umgeschaltet werden.A first consumption parameter can be, for example, the current power consumption and/or an estimated future power consumption. For example, the future power consumption can be estimated depending on the driving style or additional information, for example a navigation system. If a low speed is to be expected, for example due to the course of the route, you can switch to parallel connection. This can, for example, also take place in advance at a favorable moment, for example when the driver reduces the power required by the vehicle in order to brake. If, on the other hand, it is to be expected that a higher output will be required due to the course of the route, the batteries can be switched to series connection in advance.
Neben Verbrauchsparametern können auch Fahrparameter des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein erster Fahrparameter eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Fahrzeugs sein.In addition to consumption parameters, driving parameters of the vehicle can also be taken into account. For example, a first driving parameter can be a speed and/or an acceleration of the vehicle.
Ein zweiter Fahrparameter kann eine Positionsangabe und/oder eine Navigationsangabe für das Fahrzeug sein, wobei durch diese eine voraussichtliche Geschwindigkeit und oder Leistung, die erforderlich ist, bestimmt werden kann.A second driving parameter can be a position indication and/or a navigation indication for the vehicle, whereby an expected speed and/or power that is required can be determined by this.
Für die Verbrauchsparameter und/oder die Fahrparameter ist jeweils zumindest ein Grenzwert festgelegt, bei dem eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung erfolgt. Der Grenzwert richtet sich hierbei nach dem idealen Wirkungsgrad der Verbraucher, sodass durch eine Umschaltung sichergestellt ist, dass sich der Verbraucher stets in einem idealen Wirkungsgradbereich befindet.At least one limit value is defined for the consumption parameters and/or the driving parameters, at which a switchover between the series connection and the parallel connection takes place. In this case, the limit value is based on the ideal efficiency of the consumer, so that switching over ensures that the consumer is always in an ideal efficiency range.
Der Grenzwert kann hierbei auch ein Bereich sein, innerhalb dessen eine Umschaltung erfolgen kann. Beispielsweise sind mehrere Bereiche mit verschiedenen Prioritäten der Umschaltung zwischen der Parallelschaltung und der Reihenschaltung definiert. Beispielsweise werden für die Umschaltung zusätzliche Parameter, beispielsweise die voraussichtliche Fahrweise; die voraussichtliche Geschwindigkeit und/oder der voraussichtliche Verbrauch berücksichtigt, um ein zu häufiges Umschalten zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung zu vermeiden. Zudem kann so beispielsweise das Beschleunigungsverhalten oder das Energierückgewinnungsverhalten des Energieversorgungssystems positiv beeinflusst werden.In this case, the limit value can also be a range within which a switchover can take place. For example, several areas with different priorities of switching between of the parallel connection and the series connection. For example, additional parameters, such as the expected driving style; the foreseeable speed and/or the foreseeable consumption are taken into account in order to avoid too frequent switching between the series connection and the parallel connection. In addition, the acceleration behavior or the energy recovery behavior of the energy supply system, for example, can be positively influenced.
Beispielsweise kann auch ein Übergangsbereich definiert sein, in dem umgeschaltet werden kann sowie ein weiterer Bereich, in dem zwingend eine Umschaltung erfolgen soll.For example, a transition area can also be defined in which switching can take place, as well as a further area in which switching must take place.
Beispielsweise können auch für den zumindest einen Verbrauchsparameter und/oder Fahrparameter zumindest zwei Grenzwert festgelegt sein. Zumindest ein erster Grenzwert ist für die Umschaltung von der Reihenschaltung zur Parallelschaltung festgelegt und zumindest ein zweiter Grenzwert für die Umschaltung von der Parallelschaltung zur Reihenschaltung. Abhängig davon, ob von der Reihenschaltung in die Parallelschaltung geschaltet wird oder von der Parallelschaltung in die Reihenschaltung, kann es sinnvoll sein, verschiedene Grenzwerte für die Umschaltung zu definieren, beispielsweise um das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu beeinflussen.For example, at least two limit values can also be specified for the at least one consumption parameter and/or driving parameter. At least a first limit value is set for switching from series connection to parallel connection and at least a second limit value for switching from parallel connection to series connection. Depending on whether you are switching from the series connection to the parallel connection or from the parallel connection to the series connection, it can make sense to define different limit values for the switchover, for example to influence the driving behavior of the vehicle.
Zur Lösung der Aufgabe ist des Weiteren ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei das Energieversorgungssystem ein Batteriesystem mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt für einen Stromkreis aufweist. Das Batteriesystem hat zumindest zwei Batterien und ein Schaltsystem mit zumindest einem elektrischen Schalter und einer Steuerung, wobei das Schaltsystem die zumindest zwei Batterien elektrisch in Reihe oder parallel zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt schalten kann. Das Energieversorgungssystem hat des Weiteren einen Inverter zum Umwandeln der am ersten Kontakt und am zweiten Kontakt anliegenden Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist, wobei der Inverter einen ersten Eingang für den ersten Kontakt und einen zweiten Eingang für den zweiten Kontakt sowie zumindest zwei Ausgänge für die Wechselspannung hat. Das Energieversorgungssystem ist dazu ausgebildet, dass während des Betriebes des Fahrzeuges eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterien durch das Schaltsystem erfolgt kann, insbesondere mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren.To achieve the object, an energy supply system for a vehicle is also provided, the energy supply system having a battery system with a first contact and a second contact for an electric circuit. The battery system has at least two batteries and a switching system with at least one electrical switch and a controller, wherein the switching system can electrically switch the at least two batteries in series or in parallel between the first contact and the second contact. The energy supply system also has an inverter for converting the DC voltage present at the first contact and at the second contact into an AC voltage, the inverter having a first input for the first contact and a second input for the second contact and at least two outputs for the AC voltage . The energy supply system is designed so that, during operation of the vehicle, the switching system can switch between connecting the batteries in series and connecting them in parallel, in particular using a method described above.
Der Inverter kann einen Kondensator aufweisen, wobei der Kondensator insbesondere zwischen den Eingängen des Inverters-angeordnet ist. Optional kann der Kondensator auch in einem der Schalter des Schaltsystems angeordnet sein.The inverter can have a capacitor, the capacitor being arranged in particular between the inputs of the inverter. Optionally, the capacitor can also be arranged in one of the switches of the switching system.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems; und -
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
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1 a first embodiment of a power supply system according to the invention; and -
2 a second embodiment of an energy supply system according to the invention.
In
Die einzelnen Batterien 18 können hierbei jeweils dieselbe Spannung bereitstellen, weisen also die gleiche Anzahl Batteriezelle 16 und/oder Batteriemodule 14 auf. Beispielsweise weist das gesamte Batteriesystem 12 bei einer Reihenschaltung aller Batterien 18 eine Nennspannung von 800 V auf, wobei jede Batterie 18 eine Nennspannung von 400 V bereitstellen kann.In this case, the
Unabhängig von der hier auch gezeigten Ausführungsform kann das Batteriesystem 12 auch eine größere Anzahl von Batterien aufweisen, die jeweils unterschiedliche oder gleiche Spannungen aufweisen können.Regardless of the embodiment also shown here, the
Das gesamte Batteriesystem 12 ist mit zwei Kontakten 20, 22 an zwei Eingängen 24, 26 eines Inverters 28 angeschlossen. Der Inverter weist mehrere Halbleiterschalter 29, in der hier gezeigten Ausführungsform MOSFETS (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) auf, die so geschaltet werden können, dass der Gleichstrom, der vom Batteriesystem 12 an den Kontakten 20, 22 bereitgestellt wird, in einen Wechselstrom, beispielsweise mit einer Sinusspannung, umgewandelt wird, der an den Ausgängen 30 des Inverters 28 für den Stromkreis 32 des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Anstelle der Halbleiterschalter 29 können auch andere Schaltelemente verwendet werden Der Inverter 28 weist einen Zwischenkreiskondensator 31 auf.The
Das Batteriesystem 12 weist des Weiteren ein Schaltsystem 34 auf, dass aus mehreren Schaltern 36, 38, 40 sowie einer Steuerung 42 besteht. Die Schalter 36 38, 40 sind derart mit den Batterien 18 und den Kontakten 20, 22 verbunden, dass die Batterien 18 wahlweise in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung mit den Kontakten 20, 22 verbunden werden können.The
Ist der erste Schalter 36 geschlossen und der zweite Schalter 38 sowie der dritte Schalter 40 geöffnet, sind die Batterien 18 in einer Parallelschaltung an die Kontakte 20, 22 angeschlossen. Sind das zweite Schalter 38 und der dritte Schalter 40 geschlossen und ist der erste Schalter 36 geöffnet, sind die Batterien 18 in einer Reihenschaltung an die Kontakte 20, 22 angeschlossen.If the
Die Umschaltung der Schalter 36, 38, 40 erfolgt hierbei durch die Steuerung 42.The
Das Energieversorgungssystem 10 weist des Weiteren Ladekontakte 44, 46,48 auf, um das Batteriesystem 12 zu laden.The
Des Weiteren weist das Energieversorgungssystem eine Trennvorrichtung 50 zum Trennen des Batteriesystems 12 vom Stromkreis 32 des Fahrzeugs auf. Des Weiteren können zusätzliche Schaltvorrichtungen 54 zum Unterbrechen der Verbindung zwischen dem Batteriesystem 12 und dem Stromkreis 32 vorgesehen sein. Diese Schaltvorrichtungen können auch durch die Schalter 36, 38, 40 gebildet sein.Furthermore, the energy supply system has a
Zusätzlich weist das Batteriesystem einen Vorladekreis 56, 58 auf, der zum Angleich der Zwischenkreisspannung an die Batteriespannung genutzt werden kann.In addition, the battery system has a pre-charging circuit 56, 58 which can be used to adjust the intermediate circuit voltage to the battery voltage.
Zusätzlich ist an der Batterie eine Messvorrichtungen 52 für Batterieparameter, beispielsweise die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom vorgesehen.In addition, a measuring
Durch das Schaltsystem 34 ist es möglich, dass Batteriesystem 12 mit verschiedenen Spannungen zu laden.The switching
Ist eine Ladestation mit einer hohen Spannung verfügbar, die an den Ladekontakten 44, 46 eine Spannung bereitstellen kann, die der Gesamtspannung des Batteriesystems 12 bei einer Reihenschaltung der Batterien 18 entspricht, wird der erste Schalter 36 geöffnet und der zweite Schalter 38 sowie der dritte Schalter 40 geschlossen, sodass eine Reihenschaltung der Batterien 18 hergestellt ist. Das Batteriesystem 12 kann in diesem Fall mit einer sehr hohen Spannung geladen werden, wodurch eine höhere Ladeleistung erzielt werden kann.If a charging station with a high voltage is available that can provide a voltage at the charging
Ist lediglich eine Ladestation mit einer geringeren Spannung verfügbar, die an den Ladekontakten 44, 46 eine Spannung bereitstellen kann, die der Spannung der einzelnen Batterien 18 entspricht, werden die Batterien 18 durch das Schließen des ersten Schalters 36 und das Öffnen des zweiten Schalters 38 und des dritten Schalters 40 elektrisch parallel geschaltet, sodass beide Batterien mit der geringeren Spannung geladen werden.If only one charging station with a lower voltage is available which can provide a voltage at the charging
Die Umschaltung zwischen verschiedenen Spannungen für den Stromkreis 32 wird nunmehr nicht nur zum Laden des Fahrzeugs bzw. des Batteriesystems 12 verwendet, sondern auch während des regulären Betriebs des Fahrzeugs. Insbesondere bei Antriebssystemen, die mit einer hohen Spannung betrieben werden und auf eine hohe Leistung ausgerichtet sind, kann es bei niedrigen Leistungen zu hohen Verlusten in den Antriebssystemen sowie im Inverter 28 kommen, sodass der Wirkungsgrad der Antriebssysteme nicht optimal ist.The switching between different voltages for the circuit 32 is now used not only for charging the vehicle or the
Die Antriebssysteme können hierbei aber mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, wobei bei niedrigen Leistungen mit einer niedrigen Spannung ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Beispielsweise können die Antriebssysteme mit einer Spannung von 400 V oder 800 V betrieben werden.In this case, however, the drive systems can be operated with different voltages, with better efficiency being able to be achieved at low power levels with a low voltage. For example, the drive systems can be operated with a voltage of 400 V or 800 V.
Die Steuerung 42 ermittelt hierbei aufgrund von verschiedenen Fahrparametern und/oder Verbrauchsparameter die jeweils ideale Spannung bestimmt wird, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad für das Antriebssystem zu erzielen.Based on various driving parameters and/or consumption parameters,
Aufgrund der Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiskondensators 31 innerhalb des Inverters 28 und der Zwischenkreiskapazitäten andere Verbraucher innerhalb des Stromkreises 32 muss beim Umschalten von dem niedrigeren auf das höhere Spannungsniveau der Stromkreises 32 aufgeladen werden, bevor Schalter 54 wieder geschlossen wird. Die Vorladung erfolgt über den Vorladestromkreis 56, 58. Beim Umschalten von dem höheren auf das niedrigere Spannungsniveau muss der Stromkreises 32 entladen werden, bevor Schalter 54 wieder geschlossen wird. Die Entladung erfolgt entweder über eine anliegende Last oder ebenfalls über den Vorladestromkreis 56, 58.Due to the intermediate circuit capacitance of the intermediate circuit capacitor 31 within the
Zur Schonung der Schaltelemente sollen vorzugsweise die Ströme an den Kontakten 20, 22 des Batteriesystems 12 bzw. an den Ausgängen 30 des Inverters 28 vor der Umschaltung zwischen der Parallelschaltung und der Reihenschaltung der Batterien 18 reduziert werden, sodass an den Kontakten 20, 22 bzw. an den Ausgängen 30 im Wesentlichen kein Strom anliegt.To protect the switching elements, the currents at the
Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise können hierzu kurzzeitig Halbleiterschalter 29 des Inverters 28 geöffnet werden, sodass kein Strom an den Ausgängen 30 des Inverters 28 anliegt.This can be done in a number of ways. For example, semiconductor switches 29 of
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Leistungsabruf der Verbraucher zu reduzieren, sodass diese keinen Strom aus dem Batteriesystem 12 verbrauchen.A further possibility consists in reducing the power demand of the consumers so that they do not consume any current from the
Sobald die Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterien 18 erfolgt ist, kann wieder ein Zustand hergestellt werden, indem ein Strom an den Kontakten 20, 22 bzw. an den Ausgängen 30 anliegt. Diese Umschaltung erfolgt sehr schnell, sodass keine oder nur eine zeitlich unwesentliche Unterbrechung zwischen dem Batteriesystem 12 und dem Stromkreis 32 erfolgt.As soon as the changeover between the series connection and the parallel connection of the
Insbesondere ist diese Unterbrechung nur beim Umschalten von der Parallelschaltung auf die Reihenschaltung der Batterien 18 erforderlich. Wird von der Reihenschaltung auf die Parallelschaltung der Batterien, also auf eine geringere Spannung umgestaltet, kann beispielsweise eine zusätzliche Freilaufdiode im Stromkreis vorgesehen sein, mit der ohne eine Stromunterbrechung umgeschaltet werden kann.In particular, this interruption is only necessary when switching over from the parallel connection to the series connection of the
Die Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterien 18 kann aufgrund verschiedener Fahrparameter und/oder Verbrauchsparameter erfolgen. Vorrangig wird hierbei jeweils die für einen möglichst hohen Wirkungsgrad erforderliche Spannung für den Stromkreis 32 ausgewählt. Des Weiteren können hierbei zusätzliche Parameter berücksichtigt werden, um ein zu häufiges Umschalten zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung zu vermeiden.The changeover between the series connection and the parallel connection of the
Beispielsweise ist ein solcher Verbrauchsparameter die abgerufene Leistung des Antriebssystems. Wird nur eine geringe Leistung abgerufen, kann eine Umschaltung auf eine Betriebsspannung von 400 V erfolgen, also eine Parallelschaltung der Batterien 18 das Schaltsystem 34. Wird eine höhere Leistung abgerufen, kann eine Umschaltung auf eine Betriebsspannung von 800 V erfolgen, also eine Reihenschaltung der Batterien 18 durch das Schaltsystem 36. Neben der aktuellen Leistung kann hierbei auch ein zu erwartender Leistungsabruf berücksichtigt werden. Ist mit dem Abruf einer höheren Leistung zu rechnen, kann beispielsweise auf die Parallelschaltung der Batterien 18 verzichtet werden, bzw. vorausschauend eine Umschaltung auf die Reihenschaltung der Batterien 18 erfolgen.For example, such a consumption parameter is the required power of the drive system. If only a small amount of power is required, a switchover to an operating voltage of 400 V can take place, i.e. the
Beispielsweise können hierbei zusätzliche Parameter wie die Position des Fahrzeugs oder Informationen eines Navigationssystems berücksichtigt werden. Befindet sich das Fahrzeug beispielsweise in einem Innenstadtbereich oder fährt auf diesen zu, ist nicht mit Abruf einer höheren Leistung für einen längeren Zeitraum zu rechnen, sodass eine Umschaltung auf die Reihenschaltung der Batterien 18 für eine höhere Spannung und somit eine höhere Leistung nicht erforderlich ist. Befindet sich das Fahrzeug beispielsweise auf einer Autobahn oder fährt Beck auf oder ist aufgrund der Streckenplanung mit einem solchen Streckenabschnitt zu rechnen, kann vorausschauend auf die Reihenschaltung der Batterien 18 umgeschaltet werden, sodass eine höhere Leistung abgerufen werden kann.For example, additional parameters such as the position of the vehicle or information from a navigation system can be taken into account. For example, if the vehicle is in an inner city area or is driving towards it, it is not to be expected that higher power will be called up for a longer period of time, so that switching to the series connection of the
Vorzugsweise sind für die verschiedenen Fahrparameter und/oder Verbrauchsparameter Grenzwerte festgelegt, bei welchen eine Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung erfolgt. Diese Grenzwerte richten sich hierbei vorzugsweise nach einem möglichst optimalen Wirkungsgrad für das Antriebssystem. Beispielsweise können auch mehrere Grenzwerte festgelegt sein oder zumindest ein Grenzbereich, in dem sowohl für die Reihenschaltung wie auch für die Parallelschaltung ein akzeptabler Wirkungsgrad erreicht werden kann. Beispielsweise können auch mehrere Grenzbereiche mit verschiedenen Prioritäten für die Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung vorgesehen sein.Limit values are preferably defined for the various driving parameters and/or consumption parameters, at which a switchover between the series connection and the parallel connection takes place. These limit values are preferably based on the best possible degree of efficiency for the drive system. For example, several limit values can also be defined or at least one limit range in which an acceptable level of efficiency can be achieved both for the series connection and for the parallel connection. For example, several border areas with different priorities for switching between the series connection and the parallel connection can also be provided.
Beispielsweise können auch verschiedene Grenzwerte festgelegt werden, abhängig davon ob von der Reihenschaltung in die Parallelschaltung umgeschaltet wird oder von der Parallelschaltung die Reihenschaltung umgeschaltet wird. Dadurch kann beispielsweise ein zu häufiges Schalten zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung vermieden werden. Beispielsweise können auch Navigationshinweise oder Positionsangaben berücksichtigt werden, um Fahrzustände zu detektieren, bei denen voraussichtlich kein Leistungsabruf erfolgt, um einen idealen Zeitpunkt für die Umschaltung zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung zu finden.For example, different limit values can also be specified, depending on whether a switch is made from the series connection to the parallel connection or whether the series connection is switched from the parallel connection. As a result, too frequent switching between the series circuit and the parallel circuit can be avoided, for example. For example, navigation instructions or position information can also be taken into account in order to detect driving conditions in which no power is expected to be required in order to find an ideal point in time for switching between series connection and parallel connection.
Die in
Des Weiteren müssen die Zwischenkreiskondensatoren 29a, 29b an dieser Position am ersten Schalter 36 beim Start des Fahrzeugs nicht vorgeladen werden, sodass ein Vorladekreis für den Antriebsinverter entfallen kann.Furthermore, the intermediate circuit capacitors 29a, 29b do not have to be precharged at this position on the
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Citations (3)
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| DE102012214020A1 (en) | 2012-08-07 | 2014-02-13 | Technische Universität München | Method and device for dynamically adjusting an operating voltage for an electric motor |
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