DE102011006096A1 - Charging control system for traction battery cell assembly of motor vehicle, sets usual capacity of input and output of converter for same operation in respective operating mode by capacity of cell assembly and circuit capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laderegelungssystem für einen Traktionsbatterie-Zellverbund eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Laderegelungssysteme finden Anwendung in hybridisierten oder elektrischen Antriebssystemen, insbesondere im Zusammenhang mit Traktionsbatterien in Form von Hochvoltbatterien.The present invention relates to a charge control system for a traction battery cell assembly of a motor vehicle according to the preamble of
Im Stand der Technik ist es bekannt, z. B. aus der Druckschrift
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laderegelungssystem für einen Traktionsbatterie-Zellverbund einer Traktionsbatterie zu verbessern, insbesondere die Herstellkosten hierfür zu reduzieren.Starting from the known prior art, it is an object of the present invention to improve a charge control system for a traction battery cell assembly of a traction battery, in particular to reduce the manufacturing costs thereof.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the features of
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Laderegelungssystem für einen Traktionsbatterie-Zellverbund eines Kraftfahrzeugs. Ein solcher Traktionsbatterie-Zellverbund, welcher zur Bildung einer Traktionsbatterie verwendet wird, weist wenigstens eine Batteriezelle auf, vorzugsweise mehrere zusammen geschaltete Batteriezellen, welche seriell oder auch parallel zusammengeschaltet sein können. Eine mittels des Traktionsbatterie-Zellverbunds gebildete Traktionsbatterie, welche auch als Antriebsbatterie bekannt ist, wird in hybridisierten oder elektrischen Kraftfahrzeug-Antriebssystemen zur Speisung von elektrischen Antriebsaggregaten verwendet, z. B. auch zur Versorgung weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie. Ein Traktionsbatterie-Zellverbund ist insbesondere zur Bildung einer Hochvoltbatterie vorgesehen, deren Spannung mehrere hundert Volt betragen kann.According to the invention, a charging control system for a traction battery cell assembly of a motor vehicle is proposed. Such a traction battery cell network, which is used to form a traction battery, comprises at least one battery cell, preferably a plurality of interconnected battery cells, which may be connected in series or in parallel. A traction battery formed by the traction battery cell assembly, also known as a traction battery, is used in hybridized or electric vehicle drive systems for powering electric drive assemblies, e.g. B. also to supply other consumers with electrical energy. A traction battery cell assembly is intended in particular for forming a high-voltage battery whose voltage can be several hundred volts.
Das Laderegelungssystem umfasst neben dem Traktionsbatterie-Zellverbund weiterhin einen Wechselrichter bzw. Antriebswechselrichter, welcher über einen Ausgang, d. h. einen Ausgang des Leistungsteils, versorgungsseitig bzw. batterieseitig mittels eines Zwischenkreiskondensators mit dem Traktionsbatterie-Zellverbund verbunden ist. Der Wechselrichter ist auf übliche Weise mittels Leistungsschaltern und einer Steuerelektronik gebildet.In addition to the traction battery cell network, the charge control system further comprises an inverter or drive inverter, which is connected via an output, i. H. an output of the power unit, the supply side or the battery side is connected by means of a DC link capacitor to the traction battery cell network. The inverter is formed in the usual way by means of circuit breakers and control electronics.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist das Laderegelungssystem einen Gleichstromsteller auf, welcher als Hoch- oder Tiefsetzsteller in Richtung vom Wechselrichter zum Traktionsbatterie-Zellverbund arbeiten kann. Durch Verwendung eines derartigen Gleichstromstellers kann der Traktionsbatterie-Zellverbund im Ladebetrieb mit einem definierten Strom geladen werden. Hierzu wird das Ladespannungsniveau mittels des Gleichstromstellers durch Taktung wenigstens eines Schalters des Gleichstromstellers an ein vorgesehenes Ladespannungsniveau angepasst.In the context of the present invention, the charging control system has a DC converter, which can operate as a step-up or step-down converter in the direction from the inverter to the traction battery cell assembly. By using such a DC adjuster, the traction battery cell assembly can be charged in charging mode with a defined current. For this purpose, the charging voltage level is adjusted by means of the DC adjuster by clocking at least one switch of the DC adjuster to a designated charging voltage level.
Erfindungsgemäß weist das Laderegelungssystem hierbei einen Gleichstromsteller auf, welcher auf einfache Weise und insbesondere kostengünstig realisierbar ist. Die üblichen Kapazitäten an Eingang und Ausgang des Gleichstromstellers, welche zum Betrieb desselben in der jeweiligen Betriebsart Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller vorgesehen sind, werden hierbei vorteilhaft durch die Kapazität des Traktionsbatterie-Zellverbunds und den Zwischenkreiskondensator gebildet, insbesondere ausschließlich. Als Kapazität des Traktionsbatterie-Zellverbunds ist hierbei insbesondere jene bezeichnet, welche sich durch den Kondensatoreffekt, bedingt durch den Zellaufbau des Traktionsbatterie-Zellverbunds – ähnlich dem von Plattenkondensatoren am Traktionsbatterie-Zellverbund einstellt. Eine solche Kapazität ist im Ersatzschaltbild des Traktionsbatterie-Zellverbunds im Rahmen der Darstellung der Zellen als RC-Glieder berücksichtigt.According to the invention, the charge control system in this case has a DC converter, which can be realized in a simple manner and in particular cost-effectively. The usual capacity at the input and output of the DC adjuster, which are provided for operating the same in the respective mode boost converter or buck converter, are advantageously formed by the capacity of the traction battery cell network and the DC link capacitor, in particular exclusively. As a capacity of the traction battery cell network in this case, in particular those is referred to, which adjusts itself by the capacitor effect, due to the cell structure of the traction battery cell assembly - similar to that of plate capacitors on the traction battery cell assembly. Such a capacity is taken into account in the equivalent circuit diagram of the traction battery cell network in the context of the representation of the cells as RC elements.
Der mittels der Kapazitäten des Zwischenkreiskondensators und des Traktionsbatterie-Zellverbunds gebildete Gleichstromsteller des Laderegelungssystems besteht vorteilhaft aus wenigen Bauelementen. Der Gleichstromsteller weist zusätzlich zu vorstehenden Kapazitäten eine elektrische Schaltung bzw. eine Spannungsregelungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Diode, einem ersten und einem zweiten Schalter sowie einer Spule, insbesondere einer Speicherdrossel, auf.The DC-DC converter of the charging control system formed by means of the capacitances of the DC link capacitor and the traction battery cell network advantageously consists of a few components. The DC-DC converter has, in addition to the above capacitors, an electrical circuit or a voltage regulating device with a first and a second diode, a first and a second switch and a coil, in particular a storage choke.
Bei einer vorteilhaften, einfach zu realisierenden Ausführungsform, ist die Spannungsregelungsvorrichtung gemäß einer H-Brücke mit einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung ausgebildet, deren Mittenabgriffe durch einen Brückenzweig verbunden sind. Die erste Reihenschaltung der gemäß einer H-Brücke ausgebildeten Schaltung ist hierbei elektrisch parallel zum Ausgang des Wechselrichters, insbesondere zum Zwischenkreiskondensator, geschaltet und die zweite Reihenschaltung ist elektrisch parallel zum Eingang des Traktionsbatterie-Zellverbunds geschaltet, i. e. parallel zur Kapazität bzw. Gesamtkapazität des Traktionsbatterie-Zellverbunds.In an advantageous, easy-to-implement embodiment, the voltage control device is designed according to an H-bridge with a first and a second series circuit whose Mittenabgriffe are connected by a bridge branch. The first series connection of the circuit formed according to an H-bridge is in this case electrically connected in parallel to the output of the inverter, in particular to the DC link capacitor, and the second series circuit is electrically connected in parallel to the input of the traction battery cell network, i. e. parallel to the capacity or total capacity of the traction battery cell assembly.
Jede der Reihenschaltungen beinhaltet hierbei einen Schalter und eine Diode, wobei die Mittenabgriffe der Reihenschaltungen via einer Spule, insbesondere einer Speicherdrossel im Brückenzweig der H-Brücke, verbunden sind. Die Schalter sind vorzugsweise mittels MOSFETs oder IGBTs gebildet oder allgemein als transistorisierte Schalter bzw. Leistungsschalter. Die Dioden sind in der jeweiligen Reihenschaltung derart angeordnet, dass ihre Durchlassrichtung jeweils entgegengesetzt zur Spannungsrichtung der Spannung bzw. Klemmenspannung des Traktionsbatterie-Zellverbunds an dessen Eingang ist, d. h. die Spannungsrichtung an den Ein- und Ausgangsklemmen der jeweiligen Reihenschaltung ist entgegen gesetzt zu der Durchlassrichtung der jeweiligen Dioden. Each of the series circuits in this case includes a switch and a diode, wherein the center taps of the series circuits via a coil, in particular a storage inductor in the bridge branch of the H-bridge, are connected. The switches are preferably formed by means of MOSFETs or IGBTs or generally as transistorized switches or power switches. The diodes are arranged in the respective series circuit such that their forward direction is in each case opposite to the voltage direction of the voltage or terminal voltage of the traction battery cell network at its input, ie the voltage direction at the input and output terminals of the respective series circuit is opposite to the forward direction of the respective diodes.
Vorgesehen ist, dass die erste Reihenschaltung, welche parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltet ist, in Spannungsrichtung der Spannung am Eingang des Traktionsbatterie-Zellverbunds einen Schalter und eine Diode, die zweite Reihenschaltung, welche parallel zum Eingang des Traktionsbatterie-Zellverbunds geschaltet ist, in Spannungsrichtung der Spannung am Eingang desselben eine Diode und einen Schalter aufweist. Weitere elektronische Bauelemente sind für die Spannungsregelungsvorrichtung vorteilhaft nicht erforderlich.It is provided that the first series circuit, which is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor, in the voltage direction of the voltage at the input of the traction battery cell assembly, a switch and a diode, the second series circuit, which is connected in parallel to the input of the traction battery cell assembly, in the voltage direction of the voltage at the input thereof has a diode and a switch. Further electronic components are advantageously not required for the voltage regulation device.
Um den Traktionsbatterie-Zellverbund, i. e. die Batteriezellen desselben, mittels der Spannungsregelungsvorrichtung definiert laden zu können, ist weiterhin vorgesehen, die elektrische Verbindung der Eingänge der ersten und der zweiten Reihenschaltung der H-Brücke selektiv unterbrechbar auszubilden. Durch die Unterbrechung kann die Spannungsregelungsvorrichtung für einen Ladevorgang aktiviert werden, insbesondere deshalb, da die unmittelbare elektrische Verbindung zwischen einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators bzw. des Wechselrichterausgangs und einem Anschluss des Traktionsbatterie-Zellverbunds unterbrochen wird und sich Strompfade nunmehr innerhalb der Spannungsregelungsvorrichtung einstellen. Zur selektiven Unterbrechung kann vorteilhaft ein Batterieschütz genutzt werden, welches im Regelfall Bestandteil einer mittels des Traktionsbatterie-Zellverbunds gebildeten Traktionsbatterie ist. Alternativ kann ein zusätzlicher Schalter vorgesehen werden, um die Spannungsregelungsvorrichtung selektiv zu überbrücken. Die Ausgänge der ersten und zweiten Reihenschaltung sind elektrisch verbunden.To the traction battery cell group, i. e. the battery cells of the same, to be able to load defined by means of the voltage regulating device is further provided to form the electrical connection of the inputs of the first and the second series circuit of the H-bridge selectively interruptible. Due to the interruption, the voltage regulation device can be activated for a charging process, in particular because the direct electrical connection between a connection of the intermediate circuit capacitor or the inverter output and a connection of the traction battery cell network is interrupted and current paths now occur within the voltage regulation device. For selective interruption, a battery contactor can advantageously be used, which as a rule is part of a traction battery formed by means of the traction battery cell assembly. Alternatively, an additional switch may be provided to selectively bypass the voltage regulation device. The outputs of the first and second series circuits are electrically connected.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wechselrichter antriebsseitig selektiv mit einer ein- oder mehrphasig ausgelegten, insbesondere externen Energieversorgungsvorrichtung verbindbar ist. Die Energieversorgungsvorrichtung kann z. B. mittels eines 110 V, 230 V oder 400 V Wechsel- oder Drehstromanschlusses gebildet sein, welcher z. B. durch eine öffentliche Elektroladesäule zur Verfügung gestellt wird. Zur selektiven Verbindung kann das Laderegelungssystem wenigstens einen Schalter aufweisen, insbesondere je Phase, welcher ermöglicht, die Energieversorgungsvorrichtung an antriebsseitige Strangversorgungsanschlüsse des Wechselrichters anzuschalten. Hierbei ist der Wechselrichter insbesondere dazu ausgebildet, zum Laden der Batterie als Gleichrichter, vorzugsweise als passiver Gleichrichter, zu fungieren, insbesondere an dem mit dem Traktionsbatterie-Zellverbund verbindbaren Ausgang Gleichspannung bzw. Gleichstrom mittels der an die Strangversorgungsanschlüsse versorgten Energie bereitzustellen. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters kann hierbei größer oder kleiner als die Batteriespannung des Traktionsbatterie-Zellverbunds am Eingang desselben sein.In one embodiment, it is provided that the inverter on the drive side is selectively connectable to a single- or multi-phase designed, in particular external power supply device. The power supply device may, for. B. by means of a 110 V, 230 V or 400 V alternating or three-phase connection, which z. B. is provided by a public electric charging station. For selective connection, the charging control system may comprise at least one switch, in particular per phase, which makes it possible to connect the power supply device to drive-side power supply connections of the inverter. In this case, the inverter is designed in particular to charge the battery as a rectifier, preferably as a passive rectifier, in particular to provide connectable to the traction battery cell network output DC or DC power supplied by the power to the power supply connections. In this case, the output voltage of the inverter can be greater or smaller than the battery voltage of the traction battery cell network at the input thereof.
Während des Ladebetriebs kann der Wechselrichter hierbei antriebsseitig selektiv von einer E-Maschine, vorzugsweise einer Drehfeldmaschine, getrennt sein. Zur Trennung ist wenigstens ein zweiter Schalter vorgesehen, insbesondere je Strangwicklung, welcher die elektrische Verbindung der Wicklungsstränge der E-Maschine zum Wechselrichter unterbricht.During the charging operation, the inverter can be selectively separated from an electric motor, preferably an induction motor, on the drive side. For separation at least a second switch is provided, in particular per strand winding, which interrupts the electrical connection of the winding strands of the electric motor to the inverter.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Laderegelungssystem einen Gleichrichter, insbesondere einen passiven Gleichrichter, aufweist, welcher dem batterieseitigen Ausgang des Wechselrichters zugeschaltet, insbesondere parallel dazu zugeschaltet ist, d. h. in Richtung zur Traktionsbatterie nach dem Zwischenkreiskondensator. Bei einem Laden der Batterie befindet sich die E-Maschine im Stillstand und der Wechselrichter wird nicht getaktet.In an alternative embodiment, it is provided that the charging control system comprises a rectifier, in particular a passive rectifier, which is connected to the battery-side output of the inverter, in particular connected in parallel thereto, d. H. towards the traction battery after the DC link capacitor. When charging the battery, the electric machine is at a standstill and the inverter is not clocked.
Der Gleichrichter ist hierbei vorzugsweise ebenfalls vorteilhaft zur Verbindung mit einer wie oben beschriebenen externen, ein- oder mehrphasig ausgelegten Energieversorgungsvorrichtung ausgebildet, welche durch eine Ladesäule bereitgestellt sein kann.In this case, the rectifier is preferably also advantageously designed for connection to an external, single-phase or multi-phase power supply device as described above, which can be provided by a charging station.
Mittels des erfindungsgemäßen Laderegelungssystems kann auf einfache Weise ein Onboard-Ladegerät gebildet werden. Die Spannungsregelungsvorrichtung kann vorteilhaft in eine mittels des Traktionsbatterie-Zellverbunds gebildete Traktionsbatterie integriert werden oder alternativ beispielsweise am Wechselrichter aufgenommen werden. Trennschütze werden in letztem Fall vorzugsweise ebenfalls am Wechselrichter aufgenommen, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse. Alternativ ist auch denkbar, die Spannungsregelungsvorrichtung und/oder die Trennschütze in einem separaten Gerät zu integrieren.By means of the charge control system according to the invention can be easily formed onboard charger. The voltage regulation device can advantageously be integrated into a traction battery formed by means of the traction battery cell assembly or, alternatively, be accommodated, for example, at the inverter. In the latter case, isolating contactors are preferably likewise accommodated on the inverter, in particular in a common housing. Alternatively, it is also conceivable to integrate the voltage regulation device and / or the isolating contactors in a separate device.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawings which show essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the following description of the figures, the same elements or functions are provided with the same reference numerals.
Der Traktionsbatterie-Zellverbund
Das Laderegelungssystem
Um eine vorgesehene, definierte Ladespannung für den Traktionsbatterie-Zellverbund
Der Gleichstromsteller
Die Spannungsregelungsvorrichtung
Eine zweite Reihenschaltung
Innerhalb der gemäß einer H-Brücke ausgebildeten Spannungsregelungsvorrichtung
Das Laderegelungssystem
Der Wechselrichter
Ferner weist das Laderegelungssystem
Mittels der durch die Energieversorgungsvorrichtung
Der Gleichrichter
Zum Betrieb des in den
Damit der Gleichstromsteller
Nach einem Laden wird der Schalter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- LaderegelungssystemCharge Control System
- 22
- Traktionsbatterie-ZellverbundTraction battery cell assembly
- 2a2a
- Traktionsbatterietraction battery
- 33
- Batteriezellebattery cell
- 44
- ErsatzschaltbildEquivalent circuit
- 55
- RC-GliedRC element
- 66
- Eingang TraktionsbatterieEntrance traction battery
- 6a, b6a, b
- Klemmenjam
- 77
- Wechselrichterinverter
- 7a7a
- Gehäusecasing
- 88th
- Anschlussconnection
- 8a, b8a, b
- Anschlussklemmenterminals
- 99
- ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
- 1010
- GleichstromstellerDC chopper
- 1111
- SpannungsregelungsvorrichtungVoltage control device
- 1212
- erste Diodefirst diode
- 1313
- zweite Diodesecond diode
- 1414
- erster Schalterfirst switch
- 1515
- zweiter Schaltersecond switch
- 1616
- SpeicherdrosselPower inductor
- 1717
- erste Reihenschaltungfirst series connection
- 17a, b17a, b
- Klemmenjam
- 17c17c
- Mittenabgriffcenter tap
- 1818
- zweite Reihenschaltungsecond series connection
- 18a, b18a, b
- Klemmenjam
- 18c18c
- Mittenabgriffcenter tap
- 1919
- Brückenzweigbridge branch
- 2020
- Schalter (Schütz)Switch (contactor)
- 2121
- Schützcontactor
- 2222
- EnergieversorgungsvorrichtungPower supply device
- 2323
- StrangversorgungsanschlüsseStrand supply connections
- 2424
- E-MaschineE-machine
- 2525
- Gleichrichterrectifier
- 25a, b25a, b
- Verbindungsleitungconnecting line
- AA
- Richtung der Spannung am Eingang TraktionsbatterieDirection of voltage at the entrance traction battery
- BB
- Durchlassrichtung DiodenForward direction diodes
- S1...S3S1 ... S3
- Schalterswitch
- S4...S6S4 ... S6
- Schalterswitch
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 0849112 A1 [0002] EP 0849112 A1 [0002]
- DE 102005041825 A1 [0002] DE 102005041825 A1 [0002]
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