DE102023122436B3

DE102023122436B3 - Energy supply system of a vehicle and method for its operation

Info

Publication number: DE102023122436B3
Application number: DE102023122436.0A
Authority: DE
Inventors: Moritz Eitler; Adrian Umerle
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2023-08-22
Filing date: 2023-08-22
Publication date: 2024-09-26
Anticipated expiration: 2043-08-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit einem zumindest teilelektrifiziertem Antriebsstrang, und ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems (1). Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem (1) weist eine Batterie (10) auf, welche aus unterschiedlichen Teilen (11) besteht, wobei die Batterie (10) dazu ausgebildet ist, die unterschiedlichen Teile (11) in einem Ladebetrieb parallel und in einem Verbraucherbetrieb sequentiell zu verschalten und mehrere Verbraucher (31, 32, 33, 34) des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin weist das Energieversorgungssystem (1) einen HV-Wandler (20) auf, welcher zwischen der Batterie (10) und den Verbrauchern (31, 32, 33, 34) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, eine von der Batterie (10) gestellte Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung zu wandeln. Erfindungsgemäß weist der HV-Wandler (20) wenigstens zwei Stufen (21, 22) auf, wobei wenigstens eine erste Stufe (21) auf eine gesamte Spannungsspreizung im Energieversorgungssystem (1) ausgelegt ist und wenigstens eine zweite Stufe (22) auf eine Teilspannungsspreizung ausgelegt ist.

The present invention relates to an energy supply system (1) of a vehicle, in particular a vehicle with an at least partially electrified drive train, and to a method for operating the energy supply system (1) according to the invention. The energy supply system (1) according to the invention has a battery (10) which consists of different parts (11), wherein the battery (10) is designed to connect the different parts (11) in parallel in a charging mode and sequentially in a consumer mode and to supply several consumers (31, 32, 33, 34) of the vehicle with electrical energy. The energy supply system (1) also has an HV converter (20) which is connected between the battery (10) and the consumers (31, 32, 33, 34) and is designed to convert an input voltage provided by the battery (10) into an output voltage. According to the invention, the HV converter (20) has at least two stages (21, 22), wherein at least a first stage (21) is designed for an entire voltage spread in the energy supply system (1) and at least a second stage (22) is designed for a partial voltage spread.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit einem zumindest teilelektrifiziertem Antriebsstrang, und ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.The present invention relates to an energy supply system of a vehicle, in particular a vehicle with an at least partially electrified drive train, and a method for operating the energy supply system according to the invention.

Als Energieversorgungssystem wird dabei das System aus einem Energiespeicher, wie insbesondere einer Batterie, und verschiedenen Verbrauchern des Fahrzeugs bezeichnet, wobei sämtliche zusätzliche Komponenten im Fahrzeug, welche in die Energieversorgung der Verbraucher eingebunden sind, ebenfalls von dem Energieversorgungssystem umfasst werden. Aufgrund der Tatsache, dass in der Praxis zur Energieversorgung in Form von elektrischer Energie beinahe ausschließlich chemische Energiespeicher in Form von Batterien als Energiespeicher eingesetzt werden, wird im Rahmen der Anmeldung stets lediglich von einer Batterie gesprochen, welche stellverstretend für alle Arten von Energiespeicher steht. Die Erfindung ist somit nicht auf die Verwendung einer Batterie oder eines chemischen Energiespeichers begrenzt, sondern umfasst Energiespeicher aller Art, für welche Batterien lediglich stellvertretend genannt werden.The energy supply system is the system comprising an energy storage device, such as a battery in particular, and various consumers of the vehicle, whereby all additional components in the vehicle which are integrated into the energy supply of the consumers are also included in the energy supply system. Due to the fact that in practice chemical energy storage devices in the form of batteries are almost exclusively used as energy storage devices for the energy supply in the form of electrical energy, the application always only refers to a battery, which is representative of all types of energy storage device. The invention is therefore not limited to the use of a battery or a chemical energy storage device, but encompasses energy storage devices of all types, for which batteries are mentioned only as representatives.

Verbraucher im Sinne der Anmeldung können unterschiedliche Systeme oder Komponenten im Fahrzeug umfassen, welche üblicherweise zur Verbesserung des Komforts oder der Fahrsicherheit eingesetzt werden. Beispielhaft für mögliche Verbraucher seien an dieser Stelle Displays, Klimasysteme, Sitzheizung, USB-Stecker, Scheibenheizung, Lenkradheizung, Spiegelheizung, Massagesitze, Sitzverstellung, Scheibenwischer, Multimediasystem, Internetmodul genannt. Bei Fahrzeugen mit zumindest teilelektrifiziertem Antriebsstrang ist der Elektromotor als Antriebsmotor des Fahrzeugs ebenfalls als ein Verbraucher zu nennen.Consumers within the meaning of the application can include different systems or components in the vehicle, which are usually used to improve comfort or driving safety. Examples of possible consumers include displays, air conditioning systems, seat heating, USB plugs, window heating, steering wheel heating, mirror heating, massage seats, seat adjustment, windshield wipers, multimedia systems, internet modules. In vehicles with at least a partially electrified drive train, the electric motor as the vehicle's drive motor is also to be mentioned as a consumer.

In Fahrzeugen mit zumindest teilelektrifiziertem Antriebsstrang gibt es dabei in der Regel zwei verschiedene Netze: ein HV-Netz (Hochvoltnetz) zum Betrieb des Traktionsmotors (Antriebselektromotor) und ein 12-V-Bordnetsystem (NV-Netz, Niedervoltnetz) zum Betrieb der oben genannten kleineren Verbraucher. Folglich ist es notwendig die hohen Spannungen der Traktionsbatterie über einen HV-Wandler zu wandeln, um das NV-Netz zu betreiben. HV-Wandler sind dabei Gleichstromwandler, welche eine hohe Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung wandeln.In vehicles with at least a partially electrified drive train, there are usually two different networks: an HV network (high-voltage network) to operate the traction motor (drive electric motor) and a 12 V on-board electrical system (NV network, low-voltage network) to operate the smaller consumers mentioned above. Consequently, it is necessary to convert the high voltages of the traction battery via an HV converter in order to operate the NV network. HV converters are DC converters that convert a high input voltage into a lower output voltage.

HV-Batterien (Hochvoltbatterie) zur Versorgung des HV-Netzes bestehen aus unterschiedlichen Teilen, welche in einem Verbraucherbetrieb sequentiell miteinander verschaltet sind. Die unterschiedlichen Teile können dabei aus einzelnen Batteriemodulen oder einem Zusammenschluss von Batteriemodulen bestehen. Der Verbraucherbetrieb kennzeichnet im Gegensatz zum Ladebetrieb die Betriebsart, in welcher kein Ladevorgang stattfindet und die in der Batterie gespeicherte Energie zur Energieversorgung der Verbraucher bereitgestellt wird. Folglich befindet sich ein Fahrzeug während der Fahrt im Verbraucherbetrieb. Im Ladebetrieb wird die Batterie hingegen geladen. Moderne Hybrid- oder Elektrofahrzeuge (also Fahrzeuge mit wenigstens teilelektrifiziertem Antriebsstrang) weisen in der Regel HV-Batterien mit Spannungslagen von 800V auf. Die bestehende Gleichstromladeinfrastruktur ist allerdings lediglich in der Lage eine Versorgung von maximal 500V bereitzustellen. Um dennoch eine HV-Batterie in Spannungslagen von 800V zu laden, besteht die Möglichkeit, während des Ladevorgangs die Verschaltung der Teile der Batterie zu ändern, sodass diese Teile parallel verschaltet werden. Werden die Teile der Batterie anschließend wieder in Reihe verschaltet, addiert sich die von der Batterie bereitgestellte Spannung.HV batteries (high-voltage batteries) for supplying the HV network consist of different parts which are sequentially connected to one another in a consumer mode. The different parts can consist of individual battery modules or a combination of battery modules. In contrast to charging mode, consumer mode describes the operating mode in which no charging takes place and the energy stored in the battery is made available to supply energy to the consumers. Consequently, a vehicle is in consumer mode while driving. In charging mode, however, the battery is charged. Modern hybrid or electric vehicles (i.e. vehicles with at least partially electrified drive trains) usually have HV batteries with voltage levels of 800V. The existing direct current charging infrastructure, however, is only able to provide a maximum supply of 500V. In order to still charge an HV battery at voltage levels of 800V, it is possible to change the connection of the battery parts during the charging process so that these parts are connected in parallel. If the parts of the battery are then connected in series again, the voltage provided by the battery is added together.

Weiterhin ändert sich die Spannung einer Batterie in Abhängigkeit vom Ladezustand. Ist eine Batterie vollgeladen, weist sie die maximal mögliche Spannung auf, während sie im entladenen Zustand lediglich eine minimale Spannung bereitstellt. Dieser Effekt in Kombination mit der Änderung der Verschaltung im Ladebetrieb führt zu sehr hohen Spannungsspreizungen. Als Spannungsspreizung wird dabei der Unterschied zwischen einer minimalen und einer maximalen Spannung eines Systems verstanden. Vorliegend ist dabei die Spannungsspreizung auf den Unterschied zwischen einer minimalen und einer maximalen Spannung zu verstehen, welche als Eingangsspannung am HV-Wandler anliegt. Diese Spannungsspreizung kann in der Praxis mehrere hundert Volt betragen, wenn beispielsweise eine Batterie im ungeladenen Zustand im Ladebetrieb 200V Spannung aufweist und im vollgeladenen Zustand im Verbraucherbetrieb 800V. Der HV-Wandler zur Versorgung des NV-Netzes muss dabei auf Eingangsspannungen zwischen 200V bis 800V und somit eine starke Spannungsspreizung ausgelegt werden. Dies geht mit hohen Kosten einher, da HV-Wandler, die für eine hohe Spannungsspreizung ausgelegt werden, deutlich teurer sind als jene, welche lediglich mit geringen Spannungsspreizungen arbeiten müssen. Da es im Bereich der E-Mobilität ein wesentliches Entwicklungsziel ist günstige Elektrofahrzeuge bereitstellen zu können, soll eine Möglichkeit bereitgestellt werden, die Kosten für den HV-Wandler zu reduzieren.Furthermore, the voltage of a battery changes depending on the state of charge. When a battery is fully charged, it has the maximum possible voltage, while when discharged it only provides a minimum voltage. This effect, in combination with the change in the circuitry during charging, leads to very high voltage spreads. The voltage spread is understood to be the difference between a minimum and a maximum voltage of a system. In this case, the voltage spread is to be understood as the difference between a minimum and a maximum voltage, which is applied as the input voltage to the HV converter. In practice, this voltage spread can be several hundred volts, for example if a battery has a voltage of 200V in an uncharged state during charging and 800V in a fully charged state during consumer operation. The HV converter for supplying the low-voltage network must be designed for input voltages between 200V and 800V and thus a large voltage spread. This is associated with high costs, as HV converters that are designed for a high voltage spread are significantly more expensive than those that only have to work with low voltage spreads. Since a key development goal in the field of e-mobility is to be able to provide affordable electric vehicles, a way should be provided to reduce the costs of the HV converter.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Wandler und Energieversorgungssysteme für Fahrzeuge bekannt. Das Dokument DE 10 2019 002 376 A1 offenbart einen Gleichspannungswandler für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge, der mithilfe eines einstufigen Wechselrichters bei einem vergrößerten Eingangsspannungsbereich funktionieren soll. Ein Merkmal dieses Wandlers ist eine Parallelschaltung, die einen Glättungskondensator und ein parallel geschaltetes Schaltelement umfasst, wobei das Schaltelement zwischen den Eingangsklemmen und dem Glättungskondensator positioniert ist. Zusätzlich ist ein Sicherheitsschaltelement vorgesehen, das zwischen dem Schaltelement und dem Glättungskondensator geschaltet sei. Der Wandler soll eine größere Spreizung des Eingangsspannungsbereichs ermöglichen, um wahlweise mit 800 V oder 400 V zu laden.Different converters and energy supply systems for vehicles are known in the state of the art. The document EN 10 2019 002 376 A1 reveals a chip Voltage converter for electrically powered motor vehicles, which is intended to operate with the aid of a single-stage inverter at an increased input voltage range. A feature of this converter is a parallel circuit comprising a smoothing capacitor and a parallel-connected switching element, wherein the switching element is positioned between the input terminals and the smoothing capacitor. In addition, a safety switching element is provided, which is connected between the switching element and the smoothing capacitor. The converter is intended to enable a larger spread of the input voltage range in order to charge optionally with 800 V or 400 V.

Das Dokument DE 20 2017 007 328 U1 beschreibt eine Verbesserung von DC-Modulen durch die Verwendung von resonanten, weich schaltenden Topologien oder Komponenten. Durch deren Anwendung sollen die Schaltfrequenzen signifikant erhöht werden können, was wiederum erlauben würde, die Größe passiver Bauteile stark zu reduzieren. Insbesondere im Niederspannungsbereich, der in Haushaltsinstallationen vorliegt, sollen kostengünstige Industrie- und Automobilkomponenten eingesetzt werden, welche sehr niedrige Innenwiderstände aufweisen und sehr schnell sowie präzise schalten. Die Anpassung der Schaltfrequenzen der Komponenten soll je nach Arbeitspunkt der Komponenten erfolgen, was einen nahezu konstanten Wirkungsgrad über den gesamten Arbeitsbereich des DC-Moduls ermöglichen soll. Zusätzlich wird erwähnt, dass mehrere dieser verbesserten DC- Module parallel in einer Lade-/Entladeeinheit eingesetzt werden können.The document DE 20 2017 007 328 U1 describes an improvement of DC modules through the use of resonant, soft-switching topologies or components. Their use should enable switching frequencies to be increased significantly, which in turn would allow the size of passive components to be greatly reduced. In the low-voltage range, which is found in household installations in particular, inexpensive industrial and automotive components should be used, which have very low internal resistance and switch very quickly and precisely. The switching frequencies of the components should be adjusted depending on the operating point of the components, which should enable an almost constant efficiency over the entire operating range of the DC module. It is also mentioned that several of these improved DC modules can be used in parallel in a charging/discharging unit.

Die Patentschrift US 10 476 366 B2 schlägt einen Gleichspannungswandler mit zwei Wandler-Einheiten vor. Die erste Einheit arbeitet mit einer variablen, die zweite mit einer konstanten Teileingangsspannung. Der beschriebene Konverter wird in einem Elektrofahrzeug verwendet, um die Hochspannungs-Gleichspannung in die Bordnetz-Gleichspannung umzuwandeln.The patent specification US 10 476 366 B2 proposes a DC-DC converter with two converter units. The first unit works with a variable input voltage, the second with a constant input voltage. The converter described is used in an electric vehicle to convert the high-voltage DC voltage into the on-board DC voltage.

Dokument DE 10 2021 128 140 A1 betrifft ein Energiesystem mit einer Batterie und mehreren Wandlern. Diese Wandler sind in einem mehrstufigen, kaskadierten Aufbau angeordnet. Neben dem Hauptwandler sind passive Buck- oder Boost-Wandler zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung vorgesehen. Die Ausgangsspannung der Hochvolt-Batterie liegt in zwischen 400 und 800 V, jene des Wandlers zwischen 12 und 48 V.document EN 10 2021 128 140 A1 relates to an energy system with a battery and several converters. These converters are arranged in a multi-stage, cascaded structure. In addition to the main converter, passive buck or boost converters are provided to generate the intermediate circuit voltage. The output voltage of the high-voltage battery is between 400 and 800 V, that of the converter between 12 and 48 V.

Dokument DE 10 2017 209 451 A1 offenbart ein Energieversorgungssystem eines Fahrzeugs mit einer Batterie, die sich aus unterschiedlichen Teilen zusammensetzt und dazu ausgebildet ist, die unterschiedlichen Teile in einem Ladebetrieb parallel und in einem Verbraucherbetrieb sequenziell zu verschalten und mehrere Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Das System weist weiterhin einen HV-Wandler auf, der zwischen der Batterie und den Verbrauchern geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, eine von der Batterie gestellte Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung zu wandeln, wobei der HV-Wandler wenigstens zwei Stufen aufweist. Dabei ist wenigstens eine der Stufen auf eine Teilspannungsspreizung ausgelegt.document EN 10 2017 209 451 A1 discloses an energy supply system of a vehicle with a battery that is made up of different parts and is designed to connect the different parts in parallel in a charging mode and sequentially in a consumer mode and to supply several consumers of the vehicle with electrical energy. The system also has an HV converter that is connected between the battery and the consumers and is designed to convert an input voltage provided by the battery into an output voltage, wherein the HV converter has at least two stages. At least one of the stages is designed for a partial voltage spread.

Vor dem Hintergrund des dargestellten Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Energieversorgungssystem eines Fahrzeugs bereitzustellen, welches mit niedrigeren Kosten einhergeht. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems und ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem bereitzustellen.Against the background of the prior art presented, it is the object of the present invention to provide an energy supply system for a vehicle which is associated with lower costs. In addition, it is the object of the present invention to provide a method for operating the energy supply system according to the invention and a vehicle with the energy supply system according to the invention.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung sind dabei in den Unteransprüchen enthalten. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Offenbarung vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dabei ebenfalls als Offenbarung vorteilhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, auch wenn die Ausführungsform durch ein als Vorrichtungsmerkmal formuliertes Merkmal auf eine Vorrichtung bezogen ist. Gleiches gilt ebenso im umgekehrten Fall.The object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims. It should be noted at this point that the disclosure of advantageous embodiments of the device according to the invention is also to be understood as a disclosure of advantageous embodiments of the method according to the invention, even if the embodiment is related to a device by a feature formulated as a device feature. The same applies in the opposite case.

Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem eines Fahrzeugs weist eine Batterie auf, welche aus unterschiedlichen Teilen besteht, wobei die Batterie dazu ausgebildet ist, die unterschiedlichen Teile in einem Ladebetrieb parallel und in einem Verbraucherbetrieb sequenziell zu verschalten und mehrere Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin weist das Energieversorgungssystem einen HV-Wandler auf, welcher zwischen der Batterie und den Verbrauchern geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, eine von der Batterie gestellte Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung zu wandeln. Als Eingangsspannung wird dabei die von der Batterie bereitgestellte Spannung am Eingang des HV-Wandlers bezeichnet, während die Ausgangsspannung am Ausgang des HV-Wandlers anliegt und den Verbrauchern bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß weist der HV-Wandler wenigstens zwei Stufen auf, wobei wenigstens eine erste Stufe auf eine gesamte Spannungsspreizung im Energieversorgungssystem ausgelegt ist und wenigstens eine zweite Stufe auf eine Teilspannungsspreizung ausgelegt ist. Als Teilspannungsspreizung ist dabei eine Differenz der Eingangsspannung des HV-Wandlers zu verstehen, welche lediglich einen Teil der gesamten Spannungsspreizung abdeckt.The energy supply system of a vehicle according to the invention has a battery which consists of different parts, wherein the battery is designed to connect the different parts in parallel in a charging mode and sequentially in a consumer mode and to supply several consumers of the vehicle with electrical energy. The energy supply system also has an HV converter which is connected between the battery and the consumers and is designed to convert an input voltage provided by the battery into an output voltage. The input voltage is the voltage provided by the battery at the input of the HV converter, while the output voltage is present at the output of the HV converter and is provided to the consumers. According to the invention, the HV converter has at least two stages, wherein at least a first stage is designed for an entire voltage spread in the energy supply system and at least a second stage is designed for a partial voltage spread. The partial voltage spread is to be understood as a difference in the input voltage of the HV converter, which only covers a part of the total voltage spread.

Durch den Aufbau des HV-Wandlers durch unterschiedliche Stufen kann eine günstigere Variante eines HV-Wandlers bereitgestellt werden. Während eine Stufe auf die gesamte Spannungsspreizung ausgelegt wird, kann bei einer zweiten Stufe darauf verzichtet werden, sodass diese deutlich günstiger herzustellen ist. Als Stufe ist dabei ein Teil des Wandlers zu verstehen, welcher einen Teil der Gesamtleistung des HV-Wandlers bereitstellt.By constructing the HV converter using different stages, a cheaper variant of an HV converter can be provided. While one stage is designed for the entire voltage spread, a second stage can be dispensed with, making it significantly cheaper to manufacture. A stage is understood to be a part of the converter that provides part of the total output of the HV converter.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Leistungsfähigkeit des HV-Wandlers symmetrisch aufgebaut, sodass beide Stufen, also sowohl die erste Stufe als auch die zweite Stufe, die gleiche Leistung bereitstellen. Ein symmetrischer Aufbau bei zwei Stufen hieße dementsprechend, dass 50% der Leistung durch die erste Stufe und 50% durch die zweite Stufe bereitgestellt werden. Alternativ dazu ist es ebenso möglich die Leistungsfähigkeit des HV-Wandlers asymmetrisch aufzubauen, sodass eine Stufe mehr Leistung liefert als die andere. In dem besagten Beispiel mit zwei Stufen können diese dementsprechend so ausgebildet sein, dass über die eine Stufe 2/3 der Gesamtleistung und über die zweite Stufe 1/3 der Gesamtleistung bereitgestellt werden können. Dementsprechend kann die Leistungsfähigkeit des HV-Wandlers bzw. der einzelnen Stufen nach Bedarf der Kunden und auf das Fahrzeug angepasst werden.In a preferred embodiment of the invention, the performance of the HV converter is designed symmetrically so that both stages, i.e. both the first stage and the second stage, provide the same power. A symmetrical structure with two stages would mean that 50% of the power is provided by the first stage and 50% by the second stage. Alternatively, it is also possible to design the performance of the HV converter asymmetrically so that one stage delivers more power than the other. In the example with two stages, these can be designed so that 2/3 of the total power can be provided by one stage and 1/3 of the total power can be provided by the second stage. The performance of the HV converter or the individual stages can therefore be adapted to the needs of the customer and the vehicle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung deckt die Teilspannungsspreizung der zweiten Stufe einen oberen Bereich der Spannungsspreizung ab, wobei insbesondere der Bereich die Maximalspannung umfasst. Insbesondere bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Teilspannungsspreizung einen Bereich der Spannungsspreizung abdeckt, welcher die Spannungen umfasst, die am HV-Wandler im Verbraucherbetrieb als Eingangsspannung anliegen können. Die Teilspannungsspreizung erstreckt sich also auf diejenigen Eingangsspannungen am HV-Wandler, welche während des Verbraucherbetriebs anliegen können. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass im Verbraucherbetrieb der Batterie, wenn also aufgrund der Reihenschaltung der Batterieteile auch die Maximalspannung vorliegen kann, der gesamte Leistungsbereich ausgeschöpft und durch den HV-Wandler übertragen werden kann. Somit wird also sichergestellt, dass die gesamte Leistung, während dem normalen Fahrtbetrieb zur Verfügung steht.In a further advantageous embodiment of the invention, the partial voltage spread of the second stage covers an upper range of the voltage spread, wherein the range in particular includes the maximum voltage. An embodiment is particularly preferred in which the partial voltage spread covers a range of the voltage spread which includes the voltages that can be present as input voltage at the HV converter in consumer mode. The partial voltage spread therefore extends to those input voltages at the HV converter which can be present during consumer mode. In this way, it can be ensured that in consumer mode of the battery, i.e. when the maximum voltage can also be present due to the series connection of the battery parts, the entire power range can be utilized and transmitted by the HV converter. This ensures that the entire power is available during normal driving.

Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Steuereinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Verbraucher im Ladebetrieb abzuschalten. Aufgrund der Tatsache, dass in dem Fall, in dem eine Eingangsspannung am HV-Wandler anliegt, welche lediglich in der Spannungsspreizung der ersten Stufe liegt, auch nur die Leistung über die erste Stufe übertragen werden kann, ist es möglich, dass zu wenig Leistung für den Betrieb aller Verbraucher zur Verfügung gestellt werden kann. Durch die Abschaltung bestimmter Verbraucher kann also sichergestellt werden, dass für die anderen Verbraucher ausreichend Leistung zur Verfügung steht und diese betrieben werden können. Dabei ist es denkbar bereits im Vorhinein verschiedene Verbraucher zu definieren, welche für den Ladebetrieb abgeschaltet werden und damit dem Benutzer nicht zur Verfügung stehen. Ebenso ist es denkbar, dass Verbraucher im Ladebetrieb so lange in Verwendung genommen werden können, bis die Verwendung eines weiteren Verbrauchers die durch die eine Stufe des HV-Wandlers zur Verfügung stehende Leistung überschreiten würde. Somit muss zunächst ein anderer Verbraucher deaktiviert werden, sodass genügend Leistung zur Verfügung steht.Furthermore, in an advantageous embodiment of the invention, a control unit is provided which is designed to switch off at least one consumer during charging. Due to the fact that in the case where an input voltage is applied to the HV converter which is only in the voltage spread of the first stage, only the power can be transmitted via the first stage, it is possible that too little power can be made available to operate all consumers. By switching off certain consumers, it can be ensured that sufficient power is available for the other consumers and that they can be operated. It is conceivable to define various consumers in advance which are switched off for charging and are therefore not available to the user. It is also conceivable that consumers can be used during charging until the use of another consumer would exceed the power available through one stage of the HV converter. Another consumer must therefore first be deactivated so that sufficient power is available.

Vorzugsweise weist die Steuereinheit eine Benutzerschnittstelle auf oder ist mit einer Benutzerschnittstelle verbunden, wobei die Benutzerschnittstelle dazu ausgebildet ist, eine Vorgabe eines Benutzers, welcher der Verbraucher im Ladebetrieb abgeschaltet werden soll aufzunehmen. Somit kann der Benutzer selbst entscheiden, welche Verbraucher ihm im Ladebetrieb zur Verfügung gestellt werden sollen oder nicht. Dazu könnte beispielsweise eine Priorisierung durch den Benutzer über die Benutzerschnittstelle erfolgen, in der der Benutzer festlegt, welche Verbraucher ihm während eines Ladebetriebs wichtiger sind als andere. Durch eine derartige Priorisierung kann dann das Abschalten der Verbraucher durch die Steuereinheit erfolgen. Ebenso ist es denkbar, dass die Steuereinheit dem Benutzer verschiedene Auswahlmöglichkeiten zur Abschaltung der entsprechenden Verbraucher anbietet und sich diese durch den Verbraucher über die Benutzerschnittstelle bestätigen lässt.The control unit preferably has a user interface or is connected to a user interface, the user interface being designed to receive a user specification as to which consumer should be switched off during charging. The user can therefore decide for themselves which consumers should or should not be made available to them during charging. For example, the user could prioritize via the user interface, in which the user specifies which consumers are more important to them than others during charging. Such prioritization can then be used by the control unit to switch off the consumers. It is also conceivable for the control unit to offer the user various options for switching off the corresponding consumers and for the consumer to confirm these via the user interface.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem auf.The vehicle according to the invention has an energy supply system according to the invention.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems eines Fahrzeugs, wird während des Ladebetriebs lediglich eine erste Stufe eines HV-Wandlers, die auf eine gesamte Spannungsspreizung im Energieversorgungssystem ausgelegt ist, betrieben und wenigstens ein Verbraucher abgeschaltet.According to the method according to the invention for operating the energy supply system of a vehicle according to the invention, during charging operation only a first stage of an HV converter, which is designed for an entire voltage spread in the energy supply system, is operated and at least one consumer is switched off.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich den erfindungsgemäßen HV-Wandler im Fahrzeug in einem Ladebetrieb zu verwenden, und den Betrieb derart sicherzustellen, dass die durch die erste Stufe übertragene Leistung durch die Verbraucher nicht überstiegen wird und so ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann.The method according to the invention thus makes it possible to use the HV converter according to the invention in the vehicle in a charging mode and to ensure the operation in such a way that the power transmitted by the first stage is the consumers are not exceeded and thus safe operation can be guaranteed.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei von einem Benutzer über eine Benutzerschnittstelle bestimmt welcher Verbraucher abgeschaltet wird, damit die über die erste Stufe übertragene Leistung nicht überschritten wird.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, a user determines via a user interface which consumer is switched off so that the power transmitted via the first stage is not exceeded.

Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:

1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 1
2 zeigt eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung des der Erfindung zu Grunde liegenden Prinzips

Advantageous aspects and embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. They show:

1 shows a schematic representation of the energy supply system 1 according to the invention
2 shows a graphic representation to illustrate the principle underlying the invention

1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 1 für ein Fahrzeug in einer schematischen Darstellung. Das Energieversorgungssystems 1 weist eine Batterie 10 auf, welche sich aus unterschiedlichen Teilen 11 zusammensetzt. Die Teile 11 sind dabei unterschiedliche Module der Batterie 10. Weiterhin ist ein HV-Wandler 20 vorgesehen, welcher über eine erste Stufe 21 und eine zweite Stufe 22 verfügt. Beide Stufen 21, 22 sind über einen Wandlereingang 23 mit der Batterie 10 und über einen Wandlerausgang 24 mit dem NV-Netz und den Verbrauchern 31, 32, 33, 34 elektrisch verbunden. Ferner ist eine Steuereinheit 40 vorgesehen, welche mit Datenverbindungen zu den Verbrauchern 31, 32, 33, 34 und der Batterie 10 ausgestattet ist. Elektrische Verbindungen zur Übertragung einer elektrischen Leistung werden in 1 als durchgezogene Striche dargestellt, während Datenverbindungen zur Übertragung von Daten durch gestrichelte Linien dargestellt werden. 1 shows an embodiment of the energy supply system 1 according to the invention for a vehicle in a schematic representation. The energy supply system 1 has a battery 10, which is composed of different parts 11. The parts 11 are different modules of the battery 10. Furthermore, an HV converter 20 is provided, which has a first stage 21 and a second stage 22. Both stages 21, 22 are electrically connected to the battery 10 via a converter input 23 and to the low-voltage network and the consumers 31, 32, 33, 34 via a converter output 24. Furthermore, a control unit 40 is provided, which is equipped with data connections to the consumers 31, 32, 33, 34 and the battery 10. Electrical connections for transmitting electrical power are provided in 1 shown as solid lines, while data connections for transmitting data are shown by dashed lines.

Als Verbraucher 31, 32, 33, 34 im NV-Netz kommen dabei Heiz- und Klimasysteme wie Sitzheizung, Klimaanlage, Lenkradheizung, Scheibenheizung oder ähnliches, aber auch Komfortsysteme wie Displaybenutzung, Internetzugang, Massagesitze etc. in Frage.Consumers 31, 32, 33, 34 in the NV network include heating and air conditioning systems such as seat heating, air conditioning, steering wheel heating, window heating or similar, but also comfort systems such as display use, Internet access, massage seats, etc.

2 zeigt eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der erfinderischen Idee. Dabei sind zwei verschiedene Betriebsmodi des Energieversorgungssystems 1 dargestellt. Diese sind zum einen ein Verbraucherbetrieb (links), wie er beispielsweise während der Fahrt des Fahrzeugs auftritt und ein Ladebetrieb (rechts), wie er beim Laden des Fahrzeugs auftritt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand beider Figuren näher beschrieben. 2 shows a graphic representation to illustrate the inventive idea. Two different operating modes of the energy supply system 1 are shown. These are, on the one hand, a consumer mode (left), as occurs, for example, when the vehicle is driving, and a charging mode (right), as occurs when the vehicle is charging. The invention is described in more detail below using both figures.

Während des Fahrtbetriebs sind die Teile 11 der Batterie in Reihe, also sequentiell, geschaltet. Dies führt zur Addition der durch die einzelnen Teile 11 bereitgestellten Spannung, sodass eine ausreichende Spannung für den Betrieb eines Elektromotors als Traktionsmotor des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann. Je nach Ladestatus der Batterie 10, also je nachdem, ob die Batterie 10 vollgeladen oder weniger vollgeladen ist, stellt sie eine unterschiedlich hohe Spannung bereit, welche zwischen 400V und 800V liegen kann (siehe linke Seite 2). Die Spannung liegt dann am HV-Wandler 20 bzw. am Wandlereingang 23 an. Befindet sich das Fahrzeug allerdings an einer Ladestation und wird im Ladebetrieb geladen, werden die Teile 11 der Batterie 10 getrennt und parallel verschaltet. Bei der parallelen Verschaltung addiert sich jedoch die Spannung der einzelnen Teile nicht mehr, sodass lediglich je nach Ladezustand die Einzelspannung von 200V bis 400V der einzelnen Teile 11 am Wandlereingang 23 anliegen (siehe 2, rechte Seite).During driving, the parts 11 of the battery are connected in series, i.e. sequentially. This leads to the addition of the voltage provided by the individual parts 11, so that a sufficient voltage can be provided for the operation of an electric motor as the vehicle's traction motor. Depending on the charge status of the battery 10, i.e. depending on whether the battery 10 is fully charged or less fully charged, it provides a different voltage, which can be between 400V and 800V (see left side). 2 ). The voltage is then applied to the HV converter 20 or to the converter input 23. However, if the vehicle is at a charging station and is being charged in charging mode, the parts 11 of the battery 10 are separated and connected in parallel. With parallel connection, however, the voltage of the individual parts is no longer added together, so that only the individual voltage of 200V to 400V of the individual parts 11 is applied to the converter input 23, depending on the state of charge (see 2 , right side).

Die erste Stufe 21 des HV-Wandlers 20 ist auf die gesamte Spannungsspreizung der Batterie 10 ausgelegt, sodass unabhängig vom Ladezustand und ob sich das Energieversorgungssystem 1 in einem Ladebetrieb oder in einem Verbraucherbetrieb befindet, jede an der ersten Stufe 21 anliegende Spannung in eine Niedervolt-Ausgangsspannung gewandelt werden kann und über die erste Stufe 21 eine Leistung an die Verbraucher 31, 32, 33, 34 zur Verfügung gestellt werden kann. Die zweite Stufe 22 ist jedoch derart ausgebildet, dass sie lediglich eine Teilspannungsspreizung umfasst. Die Teilspannungsspreizung umfasst dabei den Spannungsbereich, welcher von der Batterie 10 im Verbraucherbetrieb zur Verfügung gestellt wird, also im Ausführungsbeispiel gem. 2 eine Spannung von 400V bis 800V. Sofern sich also das Energieversorgungssystem 1 im Verbraucherbetrieb befindet, steht auch die volle Leistungsfähigkeit des HV-Wandlers 20 zur Verfügung. Befindet sich das Energieversorgungssystem 1 allerdings im Ladebetrieb, kann die zweite Stufe 22 keine Leistung zur Verfügung stellen. Folglich steht im Ladebetrieb nicht die volle Leistung des Wandlers 20 zur Verfügung.
Dabei sind sowohl asymmetrische Leistungsverteilungen als auch symmetrische Leistungsverteilungen möglich. Somit kann beispielsweise die erste Stufe 21 dazu ausgebildet sein 2/3 der Gesamtleistung zu übertragen, während die zweite Stufe 22 lediglich 1/3 der Gesamtleistung überträgt oder beide Stufen übertragen jeweils die Hälfte der Gesamtleistung. Dies kann je nach Fahrzeugtyp und Kundenwunsch entsprechend angepasst werden. Selbstverständlich sind ebenfalls HV-Wandler 20 mit drei oder mehr Stufen 21, 22 denkbar.The first stage 21 of the HV converter 20 is designed for the entire voltage spread of the battery 10, so that regardless of the state of charge and whether the energy supply system 1 is in charging mode or in consumer mode, any voltage applied to the first stage 21 can be converted into a low-voltage output voltage and power can be made available to the consumers 31, 32, 33, 34 via the first stage 21. The second stage 22 is, however, designed such that it only comprises a partial voltage spread. The partial voltage spread comprises the voltage range which is made available by the battery 10 in consumer mode, i.e. in the exemplary embodiment according to. 2 a voltage of 400V to 800V. If the energy supply system 1 is in consumer mode, the full performance of the HV converter 20 is available. However, if the energy supply system 1 is in charging mode, the second stage 22 cannot provide any power. Consequently, the full performance of the converter 20 is not available in charging mode.
Both asymmetrical and symmetrical power distributions are possible. For example, the first stage 21 can be designed to transmit 2/3 of the total power, while the second stage 22 only transmits 1/3 of the total power, or both stages transmit half of the total power each. This can be adjusted accordingly depending on the vehicle type and customer requirements. HV converters 20 with three or more stages 21, 22 are of course also conceivable.

Durch die Auslegung auf lediglich eine Teilspannungsspreizung, also auf einen Teil des von der Batterie 10 bereitgestellten Spannungsbereichs, kann die zweite Stufe 22 deutlich günstiger ausgeführt werden als die erste Stufe 21, wodurch sich Kosten einsparen lassen.By designing for only a partial voltage spread, i.e. for a part of the the voltage range provided by the battery 10, the second stage 22 can be designed much more cheaply than the first stage 21, thereby saving costs.

Üblicherweise wird im Ladebetrieb auch eine geringere Leistung durch die Verbraucher benötigt, da weniger Verbraucher in Betrieb sind. Allerdings muss sichergestellt werden, dass die maximal durch die erste Stufe 21 bereitgestellte Leistung nicht überschritten wird. Aus diesem Grund schaltet die Steuereinheit 40 in der gezeigten Ausführungsform einen Teil der Verbraucher 31, 32, 33, 34 ab, sodass diese durch den Benutzer nicht aktiviert werden können. Vorzugsweise werden so viele Verbraucher 31, 32, 33, 34 abgeschaltet, dass die noch aktiven Verbraucher 31, 32, 33, 34 die zur Verfügung gestellte Leistung nicht vollständig benötigen.Normally, less power is required from the consumers during charging, as fewer consumers are in operation. However, it must be ensured that the maximum power provided by the first stage 21 is not exceeded. For this reason, in the embodiment shown, the control unit 40 switches off some of the consumers 31, 32, 33, 34 so that they cannot be activated by the user. Preferably, so many consumers 31, 32, 33, 34 are switched off that the consumers 31, 32, 33, 34 that are still active do not fully require the power provided.

Das Abschalten kann entweder automatisiert erfolgen, sobald der Ladebetrieb aktiviert wird (beispielsweise durch das Anstecken eines entsprechenden Ladesteckers), oder der Benutzer kann beispielsweise durch die Verwendung einer Benutzerschnittstelle in die Entscheidung, welche Verbraucher 31, 32, 33, 34 abgeschaltet werden sollen, einbezogen werden. Dabei kann die Steuereinheit 40 beispielsweise eine Auswahl an abzuschaltenden Verbrauchern 31, 32, 33, 34 vorgeben, welche vom Benutzer bestätigt werden muss. Alternativ kann der Benutzer eine Priorisierungsliste vorgeben, wobei niedrigpriorisierte Verbraucher 31, 32, 33, 34 zuerst abgeschaltet werden. Ebenso ist es denkbar, dass zunächst alle Verbraucher aktiv sind und erst wenn die Aktivierung eines Verbrauchers 31, 32, 33, 34 die zur Verfügung stehende Leistung überschreiten würde, wird dieser Verbraucher abgeschaltet.The shutdown can either be automated as soon as the charging operation is activated (for example by plugging in a corresponding charging plug), or the user can be involved in the decision as to which consumers 31, 32, 33, 34 should be switched off, for example by using a user interface. The control unit 40 can, for example, specify a selection of consumers 31, 32, 33, 34 to be switched off, which must be confirmed by the user. Alternatively, the user can specify a prioritization list, with low-priority consumers 31, 32, 33, 34 being switched off first. It is also conceivable that all consumers are active initially and only when the activation of a consumer 31, 32, 33, 34 would exceed the available power is this consumer switched off.

Die Einbeziehung des Benutzers kann dabei insbesondere wichtig sein, da Benutzer möglicherweise unterschiedliche Vorlieben haben und je nach Außenbedingung, wie Helligkeit oder Temperatur, unterschiedliche Verbraucher 31, 32, 33, 34 für den Benutzer wichtig sind.User involvement may be particularly important since users may have different preferences and, depending on external conditions such as brightness or temperature, different consumers 31, 32, 33, 34 may be important to the user.

Claims

Energy supply system (1) of a vehicle, comprising a battery (10) which consists of different parts (11), wherein the battery (10) is designed to connect the different parts (11) in parallel in a charging mode and sequentially in a consumer mode and to supply several consumers (31, 32, 33, 34) of the vehicle with electrical energy, an HV converter (20) which is connected between the battery (10) and the consumers (31, 32, 33, 34) and is designed to convert an input voltage provided by the battery (10) into an output voltage, wherein the HV converter (20) has at least two stages (21, 22) and at least a first stage (21) is designed for an entire voltage spread in the energy supply system (1) and at least a second stage (22) is designed for a partial voltage spread.

Energy supply system (1) according to the preceding claim, wherein a performance of the HV converter (20) is constructed symmetrically.

Energy supply system (1) according to the preceding Claim 1 , wherein a performance of the HV converter (20) is constructed asymmetrically.

Energy supply system (1) according to one of the preceding claims, wherein the partial voltage spread covers an upper range of the voltage spread, in particular up to a maximum voltage.

Energy supply system (1) according to the preceding claim, wherein the partial voltage spread covers a range of the voltage spread which includes the voltages which can occur as input voltage at the HV converter (20) in consumer operation.

Energy supply system (1) according to one of the preceding claims, wherein the energy supply system (1) has a control unit (40) which is designed to switch off at least one consumer (31, 32, 33, 34) during charging operation.

Energy supply system (1) according to the preceding claim, wherein the control unit (40) has a user interface which is designed to receive a user specification as to which of the consumers (31, 32, 33, 34) is to be switched off.

Vehicle comprising an energy supply system (1) according to one of the preceding claims.

Method for operating an energy supply system (1) of a vehicle according to one of the preceding claims, wherein during the charging operation only a first stage (21, 22) of an HV converter (20), which is designed for an entire voltage spread in the energy supply system, is operated and at least one consumer (31, 32, 33, 34) is switched off.

Method according to the preceding claim, wherein a user determines via a user interface which consumer (31, 32, 33, 34) is switched off.