DE102016005565A1

DE102016005565A1 - Circuit arrangement for a DC link capacity

Info

Publication number: DE102016005565A1
Application number: DE102016005565.0A
Authority: DE
Inventors: Reimar Braun; Tassilo Pflanz
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2017-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Zwischenkreiskapazität, insbesondere für eine Zwischenkreiskapazität, die einem Wechselrichter eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgeschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität und dem Ladungsausgleich parallel geschalteter Batteriemodulen. Die Schaltungsanordnung umfasst ein elektrisches Energiespeichersystem (1), aufweisend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (2) mit jeweils mindestens einer Speicherzelle (3), je einem ersten (4) und einem zweiten (5) Pol, je einem ersten (6) und einem zweiten (7) Hauptstrompfad, von denen jeder an einen der Pole (4, 5) des jeweiligen Energiespeichermoduls (2) angeschlossen ist und von denen zumindest der erste Hauptstrompfad (6) mittels einer darin angeordneten Schalteinrichtung (8) unterbrechbar ist, und jeweils einem parallel zu der Schalteinrichtung (8) im ersten Hauptstrompfad (6) geschalteten Vorladestrompfad (20), der mittels einer darin angeordneten Halbleiterschalteinrichtung (21) unterbrechbar ist. Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Zwischenkreiskapazität (9), die mittelbar oder unmittelbar über die ersten und zweiten Hauptstrompfade (6, 7) elektrisch an die Mehrzahl von Energiespeichermodulen (2) angeschlossen ist.The invention relates to a circuit arrangement for a DC link capacity, in particular for a DC link capacity, which is connected upstream of an inverter of an at least partially electrically driven motor vehicle. The invention further relates to a method for precharging a DC link capacitance and the charge balance of parallel connected battery modules. The circuit arrangement comprises an electrical energy storage system (1), comprising a plurality of energy storage modules (2) each having at least one memory cell (3), a first (4) and a second (5) pole, a first (6) and a second (7) Main current path, each of which is connected to one of the poles (4, 5) of the respective energy storage module (2) and of which at least the first main current path (6) is interruptible by means of a switching device (8) arranged therein, and one in parallel to the switching device (8) in the first main current path (6) connected Vorladestrompfad (20) which is interruptible by means of a semiconductor switching device (21) arranged therein. The circuit arrangement further comprises a DC link capacitor (9), which is connected directly or indirectly via the first and second main current paths (6, 7) electrically to the plurality of energy storage modules (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Zwischenkreiskapazität, insbesondere für eine Zwischenkreiskapazität, die einem Wechselrichter eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgeschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität und ein Verfahren zum Ladungsausgleich parallel geschalteter Batteriemodule.The invention relates to a circuit arrangement for a DC link capacity, in particular for a DC link capacity, which is connected upstream of an inverter of an at least partially electrically driven motor vehicle. The invention further relates to a method for precharging a DC link capacitance and a method for charge equalization of parallel connected battery modules.

Zumindest teilweise elektrisch antreibbare Kraftfahrzeugs für den Straßenverkehr, wie Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge, werden oftmals mit einem elektrischen Energiespeichersystem, z. B. einem Batteriepack, ausgestattet, das mehrere Energiespeichermodule, z. B. mehrere Batteriesysteme, in Parallelschaltung aufweist, um eine geforderte Reichweite des Fahrzeuges zu ermöglichen.At least partially electrically powered motor vehicle for road use, such as hybrid vehicles or electric vehicles are often with an electrical energy storage system, eg. As a battery pack, equipped with several energy storage modules, z. B. multiple battery systems, in parallel, to allow a required range of the vehicle.

Oftmals ist das Energiespeichersystem mit ihren Batteriesystemen am sog. Zwischenkreis (Gleichspannungszwischenkreis) mit Wechselrichtersystemen und/oder DC-DC-Wandlern verschaltet. Dieser Zwischenkreis ist zum konstanten Halten der Gleichspannung und zum Unterdrücken von Spannungsspitzen mit einer Zwischenkreiskapazität mit hoher elektrischer Kapazität, d. h. einem oder mehreren kapazitiven Bauelementen bzw. Zwischenkreiskondensatoren versehen.Often the energy storage system with its battery systems at the so-called. DC link (DC intermediate circuit) is connected to inverter systems and / or DC-DC converters. This DC link is for keeping the DC voltage constant and suppressing voltage spikes with a DC link capacitance of high electrical capacitance, i. H. one or more capacitive components or DC link capacitors provided.

Bei Bedarf wird die Zwischenkreiskapazität aus dem Energiespeichersystem vorgeladen. Das Energiespeichersystem ist im Zwischenkreis parallel zu der Zwischenkreiskapazität geschaltet. Das Energiespeichersystem kann meist zweipolig mittels zweier Pole eines Schützes mit dem Zwischenkreiskondensator getrennt oder verbunden werden.If necessary, the DC link capacitance is precharged from the energy storage system. The energy storage system is connected in the DC link parallel to the DC link capacitance. The energy storage system can usually be separated or connected to two poles by means of two poles of a contactor with the DC link capacitor.

Würde das elektrische Energiespeichersystem ohne Vorladen direkt auf die Zwischenkreiskapazität geschaltet, so würde kurzfristig ein extrem hoher Schaltstrom fließen, bis die Zwischenkreiskapazität geladen ist, da ein Energiespeichermodul wie z. B. eine Batterie einen geringen Innenwiderstand aufweist und die als Zwischenkreiskapazität dienenden Zwischenkreiskondensatoren eine hohe elektrische Kapazität besitzen. Dies würde zu einer starken Alterung dieser Bauteile und einem frühen Ausfall führen.If the electrical energy storage system without precharging switched directly to the DC link capacitance, so would an extremely high switching current flow in the short term until the DC link capacitance is charged, since an energy storage module such. B. a battery has a low internal resistance and serving as a DC link capacitance DC link capacitors have a high electrical capacity. This would lead to severe aging of these components and early failure.

Dieses Problem wird gewöhnlich dadurch umgangen, dass zunächst nur einer der Pole des Schützes geschlossen wird. Anschließend wird der zweite der Pole mittels einer Vorladeschaltung überbrückt, die einen Schalter und einen Vorladewiderstand umfasst. Hat die Zwischenkreiskapazität einen hinreichenden Ladezustand erreicht, wird schließlich der zweite Pol des Schützes geschlossen und die Vorladeschaltung damit kurzgeschlossen. Dabei ergibt sich ein Ladestrom, der zunächst bedingt durch den Vorladewiderstand ein Maximum hat und mit steigender Zwischenkreisspannung über die Zwischenkreiskapazität abfällt.This problem is usually circumvented by first closing only one of the poles of the contactor. Subsequently, the second of the poles is bridged by means of a precharge circuit comprising a switch and a precharge resistor. If the DC link capacity reaches a sufficient state of charge, the second pole of the contactor is finally closed and the precharge circuit is thus short-circuited. This results in a charging current, which initially has a maximum due to the precharge and decreases with increasing DC link voltage across the DC link capacitance.

Allerdings erfolgt die Auslegung der Vorladewiderstände in der Regel auf die Zwischenkreiskapazität. Die Zwischenkreiskapazität ist im Vergleich zu der Kapazität eines zuzuschaltenden Energiespeichermoduls relativ klein. Wird nun eine Batterie, die nach dem Abschalten des Fahrzeuges zum nächsten Betriebsstart unterschiedliche Ladezustände haben kann, an den Zwischenkreis zur Aufladung der Zwischenkreiskapazität angeschlossen, so stellen sich bei hohem Ladezustand große Ströme ein, die den Vorladewiderstand belasten. Daher fällt die Wahl auf einen größeren Wert für den Widerstand. Bei geringerem Ladezustand der Batterie wird bei dem selben gewählten Auslegungswert für den Widerstand eine zu große Zeit benötigt, um die Zwischenkreiskapazität zu laden. Dies bedeutet auch eine zu lange Startzeit für das Fahrzeug. Daher wird ein Kompromiss bei der Auslegung des Widerstandes gewählt, einerseits auch bei geringeren Ladeströmen noch in akzeptabler Zeit die Kapazität zu laden oder bei hohen Strömen den Widerstand für entsprechend hohe thermische Belastung auszulegen.However, the design of the pre-charging resistors usually takes place on the DC link capacitance. The DC link capacity is relatively small in comparison to the capacity of a zuzuschaltenden energy storage module. If now a battery, which can have different states of charge after switching off the vehicle to the next start of operation, connected to the DC link for charging the DC link capacitance, then set at high charge state, a large loads that burden the pre-charge. Therefore, the choice falls to a greater value for the resistance. If the battery has a low charge state, too much time is required to charge the DC link capacitance at the same selected resistor design value. This also means too long a start time for the vehicle. Therefore, a compromise in the design of the resistor is chosen, on the one hand even at lower charge currents in an acceptable time to charge the capacity or design the resistance at high currents for correspondingly high thermal load.

Werden darüber hinaus noch mehrere Batteriesysteme parallelgeschaltet, so kann über nicht vorhersagbare Ausgleichströme zwischen den Batteriemodulen, die auch über die Vorladezweige während des Aufladens der Zwischenkreiskapazität fließen, der einzelne Vorladewiderstand zusätzlich belastet und damit überlastet werden. Dies kann zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen. Eine sinnvoll gewählte Auslegung des Vorladewiderstandes ist nicht mehr möglich.Beyond this, if several battery systems are connected in parallel, the individual pre-charging resistor can be additionally loaded and thus overloaded via unpredictable equalizing currents between the battery modules, which also flow via the precharging branches during charging of the DC link capacitance. This can lead to premature failure of the component. A sensibly chosen design of the pre-charging resistor is no longer possible.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 011 795 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers Energie aus der 24 V-Bordnetzbatterie in den Hochvolt-Gleichspannungszwischenkreis übertragen wird, bevor eine Verbindung der Hochvolt-Batterie mit dem Hochvolt-Gleichspannungszwischenkreis hergestellt wird. Hierzu wird ein DC-DC-Wandler benötigt, der einerseits für große Ströme ausgelegt ist, um die Zwischenkreiskapazität nach Vorgabe schnell laden zu können, andererseits wird diese Komponente nach dem Start nicht mehr benötigt, was in der Anwendung eine teure Lösung darstellt. In dieser Schrift wird auf die Problematik von mehreren parallel geschalteten Batteriemodulen nicht eingegangen. Bei mehreren parallel geschalteten Batteriemodulen ohne Vorladezweige entstehen unkontrolliert sehr große Ströme, die beim Zuschalten ausgelöst werden. Neben den unzulässig großen Ausgleichströmen zwischen den Batterien über die Schütze, kann das auch zu einem Absenken der Spannung an der Zwischenkreiskapazität führen. Die Vorladung der Zwischenkreiskapazität durch den DC-Wandler aus dem 24 V-Bordbatterie muss erneut gestartet werden und verlängert den Vorladevorgang, bzw. den Startvorgang des Fahrzeuges. Der DC-Wandler kann darüber hinaus noch durch die Ausgleichströme der Traktionsbatterien unkontrolliert belastet werden.From the publication DE 10 2014 011 795 A1 is a circuit arrangement is known in which using a DC / DC converter energy from the 24 V on-board battery is transferred to the high-voltage DC intermediate circuit before a connection of the high-voltage battery is made with the high-voltage DC link. For this purpose, a DC-DC converter is required, which is designed on the one hand for large currents to load the DC bus capacity according to specification quickly, on the other hand, this component is no longer needed after startup, which is an expensive solution in the application. This document does not address the problem of several battery modules connected in parallel. With several battery modules connected in parallel without precharging branches, very large currents arise uncontrolled, which are triggered when switching on. In addition to the impermissibly large balancing currents between the batteries via the contactors, this can also lead to a lowering of the voltage at the DC link capacitance. The summons of the DC link capacity through the DC converter from the 24 V on-board battery must be restarted and prolongs the pre-charging, or starting the vehicle. The DC converter can also be charged uncontrollably by the balancing currents of the traction batteries.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 013 706 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei dem die Vorladeschaltung als eine Stromquelle und/oder als ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter ausgebildet ist. Die Variante als Stromquelle ist schaltungstechnisch aufwändig zu realisieren, was aus 2 erkennbar ist. Die Variante als ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter hat den Nachteil, dass der Halbleiter als Verstärker betrieben wird und somit einen vergleichsweise hohen Widerstand und damit hohe Verlustleistung erzeugt. Ferner kann auch mit dieser vorgeschlagenen Schaltungsanordnung der Vorladestrom nur als Ganzes aus der Spannungsquelle gesteuert werden. Eine Rücksichtnahme bei der Steuerung des Vorladestromes auf unterschiedliche Betriebszustände einzelner Teilmodule des Energiespeichersystems, wie z. B. Betriebstemperatur, Ladezustand, Spannungslage einzelner Batteriemodule etc., ist beim Vorladen nicht möglich.From the publication DE 10 2008 013 706 A1 a circuit arrangement is known in which the precharge circuit is designed as a current source and / or as a linearly operated semiconductor. The variant as a power source is technically complex to realize what is 2 is recognizable. The variant as a semiconductor operated in the linear region has the disadvantage that the semiconductor is operated as an amplifier and thus generates a comparatively high resistance and thus high power loss. Furthermore, even with this proposed circuit arrangement, the precharge current can only be controlled as a whole from the voltage source. Consideration in the control of the pre-charging current to different operating states of individual sub-modules of the energy storage system, such. As operating temperature, state of charge, voltage level of individual battery modules, etc., is not possible during pre-charging.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schaltungsanordnung für eine Zwischenkreiskapazität, insbesondere zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität, bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Ansätze vermieden werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, mit dem Ausgleichsströme von parallelgeschalteten Batteriemodulen beim Zuschalten während der Vorladung besser gehandhabt werden können.It is therefore an object of the invention to provide an improved circuit arrangement for a DC link capacity, in particular for pre-charging a DC link capacity, can be avoided with the disadvantages of conventional approaches. Another object is to provide an improved method of pre-charging a DC link capacitance. A further object is to provide an improved method by which equalizing currents of battery modules connected in parallel can be handled better during the connection during the precharge.

Diese Aufgaben werden durch Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.These objects are achieved by devices and methods having the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications of the invention will become apparent from the dependent claims and are explained in more detail in the following description with partial reference to the figures.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung für eine Zwischenkreiskapazität bereitgestellt. Die Zwischenkreiskapazität kann insbesondere einem Umrichter eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, z. B. eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, vorgeschaltet sein. Das Kraftfahrzeug kann ein Nutzfahrzeug sein. Die Erfindung kann auch in Wasser- und Luftfahrzeugen zum Einsatz kommen.According to a first aspect of the invention, a circuit arrangement for a DC link capacitance is provided. The DC link capacity can in particular a converter of an at least partially electrically driven motor vehicle, for. B. an electric vehicle or hybrid vehicle, upstream. The motor vehicle may be a commercial vehicle. The invention can also be used in watercraft and aircraft.

Die Schaltungsanordnung umfasst ein elektrisches Energiespeichersystem, aufweisend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen. Das Energiespeichermodul kann ein Batteriesystem bzw. Batteriepack sein. Die Mehrzahl von Energiespeichermodulen kann insbesondere elektrisch parallel verschaltet sein, z. B. über einen Hochvoltverteiler. Die einzelnen Energiespeichermodule können baugleich ausgeführt sein und/oder jeweils ein Energiespeichergehäuse aufweisen, in dem eine Energiespeichermodul-Steuereinrichtung und mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete und zu einem Zellenverbund zusammengefasste Einzelzellen angeordnet sind.The circuit arrangement comprises an electrical energy storage system, comprising a plurality of energy storage modules. The energy storage module may be a battery system or battery pack. The plurality of energy storage modules may in particular be electrically connected in parallel, for. B. via a high-voltage distributor. The individual energy storage modules can be of identical construction and / or each have an energy storage housing in which an energy storage module control device and a plurality of parallel and / or serially interconnected and combined into a cell composite individual cells are arranged.

Die Energiespeichermodule weisen jeweils auf: mindestens eine Speicherzelle, einen ersten und einen zweiten Pol und einen ersten und einen zweiten Hauptstrompfad, von denen jeder an einen der Pole des jeweiligen Energiespeichermoduls angeschlossen ist und von denen zumindest der erste Hauptstrompfad mittels einer darin angeordneten Schalteinrichtung unterbrechbar ist. Die Energiespeichermodule weisen ferner jeweils einen parallel zu der Schalteinrichtung im ersten Hauptstrompfad geschalteten Vorladestrompfad (auch als Vorladezweig bezeichnet) auf, der mittels einer darin angeordneten getaktete Halbleiterschalteinrichtung unterbrechbar ist. Die getaktete Halbleiterschalteinrichtung kann eine pulsweitenmoduliert getaktete Halbleiterschalteinrichtung sein.The energy storage modules have in each case: at least one memory cell, a first and a second pole and a first and a second main current path, each of which is connected to one of the poles of the respective energy storage module and of which at least the first main current path is interruptible by means of a switching device arranged therein , The energy storage modules furthermore each have a precharging current path (also referred to as precharging branch) connected in parallel with the switching device in the first main current path, which can be interrupted by means of a clocked semiconductor switching device arranged therein. The clocked semiconductor switching device may be a pulse width modulated clocked semiconductor switching device.

Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Zwischenkreiskapazität, z. B. in Form mindestens eines Zwischenkreiskondensators, die mittelbar oder unmittelbar über die ersten und zweiten Hauptstrompfade elektrisch an die Mehrzahl von Energiespeichermodulen angeschlossen ist. Die hier angesprochene Zwischenkreiskapazität kann auch als Summe aller Ein- und Ausgangskapazitäten aller angeschlossener Geräte, z. B. weitere Wechselrichter oder DC-Wandler aufgefasst werden. Die Zwischenkreiskapazität kann beispielsweise über einen Hochvoltverteiler, über den die Energiespeichermodule elektrisch parallel verschaltet sind, an die Energiespeichermodule angeschlossen sein.The circuit arrangement further comprises a DC link capacity, for. B. in the form of at least one DC link capacitor, which is indirectly or directly connected via the first and second main current paths electrically connected to the plurality of energy storage modules. The addressed here DC link capacity can also be used as the sum of all input and output capacities of all connected devices, eg. B. further inverter or DC converter can be construed. The DC link capacitance can be connected to the energy storage modules, for example via a high-voltage distributor, via which the energy storage modules are electrically connected in parallel.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt somit darin, dass jedes Energiespeichermodul einen eigenen Vorladestrompfad aufweist und in diesem Vorladestrompfad eine getaktete Halbleiterschalteinrichtung angeordnet ist, die besonders effizient, insbesondere effizienter als eine lineare Transistor-Schaltung arbeitet. Auf diese Weise kann der Vorladestrom für jedes Energiespeichermodul des Energiespeichersystems separat gesteuert werden. Es können aus allen Energiespeichermodulen über ihre Vorladezweige gleichzeitig die Ströme zur Aufladung der Zwischenkreiskapazität entnommen werden. Dadurch wird die Zwischenkreiskapazität entsprechend ihren Stromgrenzen zeitoptimal aufgeladen. Ferner kann dadurch, dass jedes Energiespeichermodul einen eigenen Vorladestrompfad aufweist, die Flexibilität beim Vorladen erhöht werden, da beispielsweise bei Bedarf auch einzelne Vorladepfade deaktiviert werden können. Ferner können diese Vorladestrompfade nicht nur zum Vorladen der Zwischenkreiskapazität, sondern auch zum Temperaturmanagement und/oder Spannungsangleich zwischen den einzelnen Energiespeichermodulen genutzt werden, was nachfolgend noch erläutert wird.A particular advantage of the invention thus lies in the fact that each energy storage module has its own precharging current path and a clocked semiconductor switching device is arranged in this precharging current path which operates particularly efficiently, in particular more efficiently than a linear transistor circuit. In this way, the precharge current for each energy storage module of the energy storage system can be controlled separately. From all energy storage modules, the currents for charging the DC link capacitance can be taken out at the same time via their precharging branches. As a result, the DC link capacity is corresponding Their current limits are charged optimally. Furthermore, since each energy storage module has its own precharging current path, the flexibility in precharging can be increased since, for example, individual precharging paths can also be deactivated if necessary. Furthermore, these precharge current paths can be used not only for precharging the DC link capacitance, but also for temperature management and / or voltage equalization between the individual energy storage modules, which will be explained below.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Halbleiterschalteinrichtung, die jeweils in den einzelnen Vorladastrompfaden angeordnet ist, über eine Pulsweitenmodulation angesteuert und regelbar. Dies reduziert beispielsweise im Vergleich zu einem im linearen Bereich betriebenen Halbleiter die Wärmeverluste beim Vorladen. So stellt ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter im Wesentlichen ein Verstärkerelement bzw. einen spannungsgesteuerten Widerstand dar, dessen Widerstand je nach Betriebszustand herauf- oder herabgesetzt ist. Bei einer pulsweitenmodulationsbasierten Ansteuerung gemäß dieser Ausführungsform schaltet das Halbleiterelement, z. B. der Transistor, mit minimalem Widerstand durch, wenn das Halbleiterelement leitet. Die Transistoren bzw. Halbleiterschalter in der Halbleiterschalteinrichtung werden somit gemäß dieser Ausführungsform nicht im linearen Bereich, sondern im gesättigten Bereich getaktet betrieben. Diese Betriebsweise von Halbleitern ist typisch in den bekannten Schaltungen von Schaltnetzteilen und DC-DC-Wandlern. Daher kann die Halbleiterschalteinrichtung auch als DC-DC-Wandler in kleiner Leistungsausführung im Vorladepfad angesehen werden, z. B. in Form eines sekundärgetakteten Schaltreglers. Im Betrieb wirken dann die Eigenschaft eines idealen Schalters in Verbindung mit dem kleinsten sich einstellenden Widerstand R_On. Zum besseren Verständnis werden daher in den Figuren die Halbleiterschaltungseinrichtungen in einem Ersatzschaltbild mit diesen beiden Bauelementen (idealer Schalter, R_On) dargestellt. Aus Kostengründen wird vorzugsweise die Schaltungsausführung mit minimalen Bauteilen gewählt. Im Idealfall wird nur ein Halbleiter mit seiner Ansteuerungsschaltung benötigt. Die Halbleiterschalteinrichtung kann auch als ein Halbleiterrelais ausgebildet sein. Die möglichen Ausführungsformen von getakteten Halbleiterschaltern mit und ohne Potentialtrennung von Ein- und Ausgangsseite sind in der Fachliteratur beschrieben.According to a particularly preferred embodiment, the semiconductor switching device, which is arranged in each case in the individual Vorladastrompfaden, driven and controlled by a pulse width modulation. For example, this reduces the heat losses during precharging compared with a semiconductor operated in the linear region. Thus, a semiconductor operated in the linear region is essentially an amplifier element or a voltage-controlled resistor whose resistance is increased or decreased depending on the operating state. In a pulse width modulation-based drive according to this embodiment, the semiconductor element, z. As the transistor, with minimal resistance, when the semiconductor element conducts. The transistors or semiconductor switches in the semiconductor switching device are thus operated according to this embodiment, not clocked in the linear range, but clocked in the saturated region. This mode of operation of semiconductors is typical in the known circuits of switched-mode power supplies and DC-DC converters. Therefore, the semiconductor switching device can also be regarded as a DC-DC converter in a small power version in the precharge path, z. B. in the form of a secondary clocked switching regulator. In operation, then the property of an ideal switch in conjunction with the smallest self-adjusting resistance R_On act. For better understanding, therefore, the semiconductor circuit devices are shown in an equivalent circuit diagram with these two components (ideal switch, R_On) in the figures. For cost reasons, the circuit design is preferably chosen with minimal components. Ideally, only one semiconductor is needed with its drive circuit. The semiconductor switching device can also be designed as a semiconductor relay. The possible embodiments of clocked semiconductor switches with and without electrical isolation of input and output side are described in the literature.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die getaktete Halbleiterschalteinrichtung durch eine Pulsweitenmodulation so angesteuert werden kann, dass eine Kontrolle des Stroms im Vorladestrompfad ermöglicht wird.Another advantage is that the clocked semiconductor switching device can be controlled by a pulse width modulation so that a control of the current is made possible in Vorladestrompfad.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der erfindungsgemäßen Realisierung sieht vor, dass im Vorladestrompfad eine in Reihe zur Halbleiterschalteinrichtung angeordnete Sicherung vorgesehen ist. Die Sicherung dient zur Freischaltung des Energiespeichermoduls im Fehlerfall und schützt die Halbleiterschalteinrichtung vor Zerstörung während der Vorladephase aus der dazugehörenden Batterie. Die Sicherung ist vorzugsweise der Halbleiterschalteinrichtung im Vorladestrompfad vorgeschaltet, d. h. auf der Seite der Halbleiterschalteinrichtung angeordnet, die dem Energiespeichermodul zugewandt ist bzw. auf der der Strom vom Energiespeichermodul ankommt.A further advantageous possibility of the realization according to the invention provides that a fuse arranged in series with the semiconductor switching device is provided in the precharging current path. The fuse is used to enable the energy storage module in case of failure and protects the semiconductor switching device from destruction during the precharge phase from the associated battery. The fuse is preferably connected upstream of the semiconductor switching device in Vorladestrompfad, d. H. arranged on the side of the semiconductor switching device, which faces the energy storage module or on which the current arrives from the energy storage module.

Ebenso kann eine zweite Sicherung am Ende des Vorladepfades sitzen, da ein parallelgeschaltetes Batteriesystem über den Zwischenkreis in der Halbleiterschalteinrichtung im Fehlerfall weitere Folgeschäden verursachen würden und daher den Vorladepfad auf der zweiten Seite trennt.Likewise, a second fuse can be located at the end of the precharging path, since a battery system connected in parallel across the intermediate circuit in the semiconductor switching device would cause further consequential damage in the event of a fault and therefore disconnects the precharging path on the second side.

Ferner kann im Vorladestrompfad in Reihe zur Halbleiterschalteinrichtung ein Schalter, insbesondere ein Schütz, angeordnet sein. Der Schalter ist vorzugsweise der Sicherung vorgeschaltet. Vor der Sicherung kann somit noch ein kostengünstiges Schütz, ausgelegt für die gleichen maximalen Ströme, der Halbleiterschalteinrichtung vorgeschaltet werden, um eine allpolige Freischaltung der Batterie einfach zu ermöglichen. Hier können aber auch Handschalter, die nur im Falle von elektrischen Arbeiten am HV-Verteiler für die vorgeschriebene Freischaltung sorgen, eingesetzt werden. Ersatzweise kann auch die Sicherung unter Spannung von ausgebildetem Personal entfernt werden, um der Freischaltung Genüge zu tun.Furthermore, a switch, in particular a contactor, can be arranged in the pre-charging current path in series with the semiconductor switching device. The switch is preferably connected upstream of the fuse. Before securing, therefore, a cost-effective contactor, designed for the same maximum currents, can be connected upstream of the semiconductor switching device in order to enable all-pole disconnection of the battery. Here, however, manual switches, which provide only in the case of electrical work on the HV distributor for the prescribed activation, can be used. Alternatively, the fuse can be removed under tension of trained personnel to do the activation Enough.

Um einen hohen Schutz in HV-Netzen zu erhalten werden heute Isolationswächter in isolierten Netzen eingesetzt, um schon vor einem Zuschalten eines Schützes den ersten Fehler im Netz detektieren zu können. In diesem Zusammenhang kann der Einsatz von Sicherungen optional ausgewählt werden. Da dies Stand der Technik ist, wird im nachfolgenden nicht mehr darauf eingegangen.In order to obtain a high level of protection in HV networks, insulation monitors are now used in isolated networks in order to detect the first fault in the network before a contactor is connected. In this context, the use of fuses can be optionally selected. Since this is state of the art, will not be discussed in the following.

Zur Überwachung des Vorladestrompfades kann im Vorladestrompfad ferner eine Messeinrichtung zur Strommessung im Vorladestrompfad angeordnet sein. Ferner kann im Vorladestrompfad mindestens eine Messeinrichtung zur Spannungsmessung angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei derartige Messeinrichtungen zur Spannungsmessung vorgesehen sind, die im Vorladestrompfad auf gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschalteinrichtung angeordnet sind.In order to monitor the precharging current path, a measuring device for current measurement in the precharging current path can furthermore be arranged in the precharging current path. Furthermore, at least one measuring device for voltage measurement can be arranged in the precharging current path. It is particularly advantageous if two such measuring devices are provided for voltage measurement, which are arranged in the precharging current path on opposite sides of the semiconductor switching device.

Ferner kann die Halbleiterschalteinrichtung bidirektional betreibbar sein. Dies bedeutet, dass die Halbleiterschalteinrichtung je nach Schaltzustand sowohl in beiden Richtungen Strom führen als auch in beide Richtungen Spannung sperren kann. Vom Konzept her bedeutet das, dass zwei unidirektionale Halbleiterschalteinrichtungen antiparallel verschaltet werden müssen, da in der Regel nur in einer Richtung ein Stromfluss in einem Halbleiter möglich ist. Getaktete Bauelemente, die bidirektional arbeiten, würden den Schaltungsaufwand vereinfachen und können auf antiparallele Schaltungen verzichten.Furthermore, the semiconductor switching device can be operated bidirectionally. This means that the semiconductor switching device depending on the switching state can carry both in both directions current as well as lock in both directions voltage. Conceptually, this means that two unidirectional semiconductor switching devices must be connected in antiparallel, since usually in only one direction, a current flow in a semiconductor is possible. Clocked devices that work bidirectionally would simplify the circuitry and can dispense with antiparallel circuits.

Die Halbleiterschalteinrichtung kann an sich in bekannter Weise wenigstens einen ein- und ausschaltbaren Halbleiter (Bipolar- und Feldeffekttransistoren) aufweisen. Eine andere Realisierungsmöglichkeit sieht vor, dass die Halbleiterschalteinrichtung auch schaltbare Thyristoren enthält und darüber hinaus mit weiteren Halbleitern (Transistoren) kombiniert werden kann Es sind auch Diodenschaltungen für den Betrieb als Schalter bekannt, die in der Halbleiterschalteinrichtung zur Anwendung kommen können. Je nach Auslegung können Mischformen mit den genannten Bauelementen und weiteren Schaltungselementen wie Widerstände Kondensatoren, Spulen und weitere Dioden in der Halbleiterschalteinrichtung in bekannter Weise zum Einsatz kommen. Auch kann die Halbleiterschalteinrichtung eine eigene Verbindung zum Massepotential des Energiespeichermoduls haben.The semiconductor switching device may have per se in known manner at least one on and off switchable semiconductor (bipolar and field effect transistors). Another possibility for realization provides that the semiconductor switching device also contains switchable thyristors and, moreover, can be combined with further semiconductors (transistors). Diode circuits are also known for operation as switches, which can be used in the semiconductor switching device. Depending on the design, mixed forms with the mentioned components and other circuit elements such as resistors, capacitors, coils and other diodes in the semiconductor switching device can be used in a known manner. Also, the semiconductor switching device may have its own connection to the ground potential of the energy storage module.

Ferner kann die Schaltungsanordnung eine Hochvoltverteilereinrichtung (Hochvoltverteiler) aufweisen, an die einerseits die ersten und zweiten Hauptstrompfade angeschlossen sind und an die andererseits die Zwischenkreiskapazität angeschlossen ist. Die Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung können über die Hochvoltverteilereinrichtung elektrisch parallel verschaltet sein.Furthermore, the circuit arrangement can have a high-voltage distribution device (high-voltage distributor), to which, on the one hand, the first and second main current paths are connected and to which, on the other hand, the DC link capacitance is connected. The energy storage modules of the energy storage device can be electrically connected in parallel via the high-voltage distribution device.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedem Vorladestrompfad jeweils eine Steuereinrichtung zugeordnet sein, die dazu ausgebildet ist, Informationen von zumindest einer der folgenden Komponenten im Vorladestrompfad zu erhalten: der Messeinrichtungen zur Strommessung, der mindestens einen Messeinrichtung zur Spannungsmessung, der Halbleiterschalteinrichtung, dem in Reihe zur Halbleiterschalteinrichtung angeordnetem Schalter und der mindestens einen Sicherung. Diese Steuereinrichtung wird nachfolgend als erste Steuereinrichtung bezeichnet, zur Abgrenzung gegenüber einer Steuereinrichtung des Energiespeichermoduls und gegenüber einer zentralen Steuereinrichtung, die den Betrieb aller Energiespeichermodule des Energiespeichersystems überwacht und steuert. Besonders vorteilhaft ist, wenn alle Bauteile bzw. Komponenten des Vorladestrompfades eine Schnittstelle zu der ersten Steuereinrichtung aufweisen.According to a further embodiment, a respective control device can be assigned to each precharge current path, which is designed to receive information from at least one of the following components in the precharge current path: the current measuring device, the at least one voltage measurement device, the semiconductor switching device, in series with the semiconductor switching device arranged switch and the at least one fuse. This control device is referred to below as the first control device, for differentiation with respect to a control device of the energy storage module and with respect to a central control device which monitors and controls the operation of all energy storage modules of the energy storage system. It is particularly advantageous if all components or components of the precharge current path have an interface to the first control device.

Die erste Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, die im Vorladestrompfad ermittelten Messwerte an eine Energiespeichermodul-Steuereinrichtung des jeweiligen Energiespeichermoduls auszugeben und Steuersignale von der Energiespeichermodul-Steuereinrichtung zu empfangen. Die Energiespeichermodul-Steuereinrichtung ist für die Gesamtsteuerung des Energiespeichermoduls, z. B. das Ladezustandsmanagement, zuständig und wird auch als Batteriemanagementsystem (BMS) bezeichnet.The first control device may be configured to output the measured values determined in the precharging current path to an energy storage module control device of the respective energy storage module and to receive control signals from the energy storage module control device. The energy storage module control device is responsible for the overall control of the energy storage module, for. As the state of charge management, responsible and is also referred to as a battery management system (BMS).

Ferner ist vorzugsweise eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, Informationen, insbesondere Messwerte, von den Energiespeichermodul-Steuereinrichtungen (BMS) zu empfangen und Steuersignale an die Energiespeichermodul-Steuereinrichtungen, insbesondere Steuersignale für die Halbleiterschalteinrichtung, auszugeben. Mit anderen Worten sind alle Einzelbatteriemanagementsysteme (BMS) mit einer übergeordneten zentralen Controllereinheit verbunden, die alle Informationen der Teilsysteme sammelt und entsprechende Führungssignale an die Teilsysteme zurückgibt. Die zentrale Steuereinrichtung (zentrale Controllereinheit) kann ein eigenständiges Steuergerät sein oder auch nur ein logisches Softwaremodul innerhalb einer größeren Managementsoftware darstellen. Der Stand der Technik ermöglicht hierzu alle Varianten und Mischformen.Furthermore, a central control device is preferably provided, which is designed to receive information, in particular measured values, from the energy storage module control devices (BMS) and to output control signals to the energy storage module control devices, in particular control signals for the semiconductor switching device. In other words, all single battery management systems (BMS) are connected to a higher-level central controller unit, which collects all the information of the subsystems and returns corresponding command signals to the subsystems. The central control device (central controller unit) may be an independent control device or even represent only a logical software module within a larger management software. The state of the art allows all variants and mixed forms for this purpose.

Ferner besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Energiespeichermodul-Steuereinrichtungen (BMS) jeweils ausgebildet sind, im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs eine Temperatur des jeweiligen Energiespeichermoduls zu überwachen und, falls die überwachte Temperatur einen ersten Temperaturschwellenwert überschreitet und vorzugsweise eine Teillastsituation vorliegt, die Halbleiterschalteinrichtung im Vorladestrompfad zu schließen und den ersten Hauptstrompfad mittels der darin angeordneten Schalteinrichtung zu unterbrechen. Falls die überwachte Temperatur einen zweiten Temperaturschwellenwert wieder unterschreitet, kann die Energiespeichermodul-Steuereinrichtung den Vorladestrompfad wieder unterbrechen und den ersten Hauptstrompfad wieder schließen.Furthermore, in the context of the invention, the possibility exists that the energy storage module control devices (BMS) are each designed to monitor a temperature of the respective energy storage module while driving the motor vehicle and, if the monitored temperature exceeds a first temperature threshold and preferably a partial load situation, the semiconductor switching device close in Vorladestrompfad and interrupt the first main current path by means of the switching device arranged therein. If the monitored temperature falls below a second temperature threshold again, the energy storage module control device can interrupt the Vorladestrompfad again and close the first main current path again.

Mit anderen Worten kann der Vorladestrompfad auch zum Temperaturmanagement für die Energiespeichermodule genutzt werden. Ein Energiespeichermodul mit höherem Innenwiderstand wird sich durch eine erhöhte Temperatur im Vergleich zu den anderen Energiespeichermodulen bemerkbar machen. Im Fahrbetrieb können die Hauptschütze, die den Vorladestrompfad brücken, dann auch zur Entlastung des Energiespeichermoduls mit erhöhter Temperatur zurückgenommen werden. In einer niedrigen Lastsituation wird beispielsweise das Hauptschütz bei kleinem Strom geöffnet. Die Stromrichtung des Vorladestrompfades zeigt wieder den Ausgleichsstrom an, der über die Halbleiterschalteinrichtung kontrolliert wird. Diese Funktion kann selbsttätig erfolgen, und die Zeitdauer für diesen sanften Ausgleich mit Abkühlung der Batterie wird von der Energiespeichermodul-Steuereinrichtung dieses Teilsystems überwacht. Eine Zuschaltung kann dann nach einer Abkühlung des Energiespeichermoduls wieder erfolgen und das betroffene Energiespeichermodul zur Traktion wieder beitragen. Auf diese Weise kann die Nutzungsdauer von Batterie-Systemen verlängert werden.In other words, the precharge current path can also be used for temperature management for the energy storage modules. An energy storage module with higher internal resistance will be noticeable by an increased temperature compared to the other energy storage modules. When driving, the main contactors, which bridge the pre-charging current path, can then be taken back to relieve the energy storage module with increased temperature. In a low load situation, for example, the main contactor is opened with a small current. The current direction of the precharge current path again indicates the equalizing current which is controlled via the semiconductor switching device. This feature can be self-acting and the period of time for this smooth compensation with battery cooling is monitored by the energy storage module controller of that subsystem. A connection can then take place again after a cooling of the energy storage module and the affected energy storage module contribute to the traction again. In this way, the useful life of battery systems can be extended.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Schaltungsanordnung zum Spannungsangleich bzw. Ladezustandsausgleich unter den einzelnen Energiespeichermodulen genutzt. Hierbei sind die zentrale Steuereinrichtung und/oder die ersten Energiespeichermodul-Steuereinrichtungen ausgebildet, während eines Vorladevorgangs der Zwischenkreiskapazität eine Differenzspannung zwischen einer Spannung am jeweiligen Energiespeichermodul und einer ausgangsseitig am Vorladestrompfad anliegenden Spannung zu überwachen und einen Vorladevorgang über den jeweiligen Vorladestrompfad erst zu beenden, wenn die Differenzspannung einen vorgegebenen Schwellenwert unterschritten hat.According to a further embodiment of the invention, the circuit arrangement is used for voltage equalization or charge state compensation under the individual energy storage modules. In this case, the central control device and / or the first energy storage module control devices are configured to monitor a differential voltage between a voltage at the respective energy storage module and a voltage present on the output side of the Vorladestrompfad voltage during a precharge of the DC link capacitance and to terminate a precharge via the respective Vorladestrompfad only when the Differential voltage has fallen below a predetermined threshold.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einer Schaltungsanordnung, wie in diesem Dokument beschrieben.The invention further relates to a motor vehicle, in particular a commercial vehicle, with a circuit arrangement as described in this document.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität bereitgestellt, wobei die Zwischenkreiskapazität insbesondere einem Wechselrichter eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgeschaltet sein kann. Gemäß dem Verfahren wird die Zwischenkreiskapazität mittels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wie in diesem Dokument beschrieben, vorgeladen.According to a second aspect of the invention, a method is also provided for precharging a DC link capacitance, wherein the DC link capacitance in particular can be connected upstream of an inverter of an at least partially electrically drivable motor vehicle. According to the method, the DC link capacitance is precharged by means of a circuit arrangement according to the invention as described in this document.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendet, die eine im Vorladestrompfad angeordnete Messeinrichtung zur Strommessung im Vorladestrompfad, mindestens eine im Vorladestrompfad angeordnete Messeinrichtung zur Spannungsmessung und einen im Vorladestrompfad in Reihe zur Halbleiterschalteinrichtung angeordneten Schalter, insbesondere ein Schütz, und mindestens eine im Vorladestrompfad in Reihe zur Halbleiterschalteinrichtung angeordnete Sicherung aufweist. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann der Vorladestrom in jedem Vorladestrompfad einzeln gestartet, eingestellt und geregelt werden, gemäß der folgenden Schritte:

a) Überprüfen, ob der in Reihe zur Halbleiterschalteinrichtung angeordnete Schalter im jeweiligen Vorladestrompfad geschlossen ist, beispielsweise anhand einer Spannungsmessung für jeden der Vorladestrompfade;
b) Ist dies der Fall, Starten eines Pulsbetriebs der entsprechenden Halbleiterschalteinrichtung und Regelung einer zulässigen Größe des Stroms im jeweiligen Vorladestrompfad über die Pulsweitenmodulation am Steuereingang der Halbleiterschalteinrichtung, um den Strom durch den jeweiligen Vorladestrompfad gemäß einer vorgegebenen Verlaufsfunktion größer oder kleiner zu stellen, wobei ein sich einstellender Zweigstrom an der Strommessstelle überwacht wird, insbesondere mit Vorzeichen des Zweigstroms; und
c) Abbrechen der Vorladung, falls eine der Sicherungen im Vorladestrompfad angesprochen hat.

According to a preferred embodiment of the method, an embodiment of the circuit arrangement according to the invention is used, which is arranged in Vorladestrompfad measuring device for current measurement in Vorladestrompfad, at least one arranged in Vorladestrompfad measuring device for voltage measurement and arranged in Vorladestrompfad in series with the semiconductor switching device switch, in particular a contactor, and at least a fuse arranged in Vorladestrompfad in series with the semiconductor switching device. According to the preferred embodiment of the method, the precharge current in each precharge current path can be individually started, adjusted and regulated according to the following steps:

a) checking whether the switch arranged in series with the semiconductor switching device is closed in the respective precharge current path, for example by means of a voltage measurement for each of the precharge current paths;
b) If this is the case, starting a pulsed operation of the corresponding semiconductor switching device and regulating an allowable size of the current in the respective Vorladestrompfad on the pulse width modulation at the control input of the semiconductor switching device to make the current through the respective Vorladestrompfad according to a predetermined course function larger or smaller, wherein a adjusting branch current is monitored at the current measuring point, in particular with the sign of the branch current; and
c) Cancel the precharge if one of the fuses in the precharge path has responded.

Gemäß dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Ausgleichen von Batterieladezuständen parallel geschalteter Batteriemodule, die insbesondere über eine Hochvolt-Verteilung (HV-Verteilung) einem Wechselrichter eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgeschaltet sind, bereitgestellt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ausgleich von Batterieladezuständen zwischen den Batterien mittels einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung, wie in diesem Dokument beschrieben, durchgeführt wird.According to the third aspect of the invention, a method is also provided for compensating battery charge states of battery modules connected in parallel, which in particular are connected upstream of an inverter of an at least partially electrically drivable motor vehicle via a high-voltage distribution (HV distribution). The method is characterized in that a compensation of battery charge states between the batteries by means of a switching arrangement according to the invention, as described in this document, is performed.

Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:The preferred embodiments and features of the invention described above can be combined with one another as desired. Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic representation of a circuit arrangement according to an embodiment of the invention;

2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und 2 a schematic representation of a circuit arrangement according to another embodiment of the invention; and

3 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 3 a schematic representation of a circuit arrangement according to another embodiment of the invention.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und sind teils nicht gesondert beschrieben.Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference numerals in all figures and are in part not described separately.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltungsanordnung umfasst ein elektrisches Energiespeichersystem 1, das aus mehreren Energiespeichermodulen 2, hier in Form von Batteriesystemen, gebildet ist, die elektrisch parallel verschaltet sind. Vorliegend sind nur drei Energiespeichermodule gezeigt. Die Anzahl der parallel verschalteten Energiespeichermodule kann jedoch jede natürliche Zahl n betragen. Jedes der Energiespeichermodule 2 weist wiederum mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete und zu einem Zellenverbund zusammengefasste Einzelzellen 3 auf. Die Energiespeichermodule 2 weisen ferner je einen ersten 4 und einen zweiten 5 Pol und je einen ersten 6 und einen zweiten 7 Hauptstrompfad auf, von denen jeder an einen der Pole 4, 5 des jeweiligen Energiespeichermoduls 2 angeschlossen ist. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement according to an embodiment of the invention. The circuit arrangement comprises an electrical energy storage system 1 , the from several energy storage modules 2 , here in the form of battery systems, is formed, which are electrically connected in parallel. In the present case, only three energy storage modules are shown. However, the number of energy storage modules connected in parallel can be any natural number n. Each of the energy storage modules 2 in turn has several parallel and / or serially interconnected and combined into a cell composite single cells 3 on. The energy storage modules 2 each have a first 4 and a second 5 Pol and ever a first 6 and a second 7 Main current path, each of which to one of the poles 4 . 5 of the respective energy storage module 2 connected.

Um der Freischaltung von HV-führenden Energiesystemen zu genügen, d. h. um das Energiespeichersystem 1 bei einem entsprechenden Fahrzeug vom Fahrzeugbordnetz allpolig trennen zu können, sind typischerweise zwei als Leistungsschalter ausgebildete Schalteinrichtungen 8, z. B. Schütze, vorgesehen, die in je einem der Hauptstrompfade 6, 7 jedes der Energiespeichermodule 2 angeordnet sind.In order to satisfy the activation of HV-leading energy systems, ie the energy storage system 1 In a corresponding vehicle to be able to disconnect all poles of the vehicle electrical system, are typically two designed as a circuit breaker switching devices 8th , z. B. contactors, provided in each one of the main current paths 6 . 7 each of the energy storage modules 2 are arranged.

Die Energiespeichermodule 2 sind über einen Hochvoltverteiler 16, an den die Hauptstrompfade 6, 7 der einzelnen Energiespeichermodule 2 eingangsseitig angeschlossen sind, elektrisch parallel verschaltet. Ausgangsseitig ist der Hochvoltverteiler über zwei Anschlussleitungen 14, 15 mit einer Zwischenkreiskapazität 9 verbunden. Die Zwischenkreiskapazität stellt die Summe aller Kapazitäten dar, die unmittelbar an der HV-Verteilung 16 angeschlossen sind und kann mehrere Zwischenkreiskondensatoren umfassen.The energy storage modules 2 are via a high-voltage distributor 16 to which the main current paths 6 . 7 the individual energy storage modules 2 connected on the input side, electrically connected in parallel. On the output side, the high-voltage distributor is connected via two connecting cables 14 . 15 with a DC link capacity 9 connected. The DC link capacity represents the sum of all the capacities directly adjacent to the HV distribution 16 are connected and may include multiple DC link capacitors.

Parallel zur Zwischenkreiskapazität 9 ist exemplarisch eine Last 13 abgebildet. Dies kann beispielsweise eine Entladeschaltung und/oder ein Wechselrichter sein, insbesondere ein Wechselrichter eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Daneben können auch DC-DC-Wandler angeschlossen sein. Es können allgemein mehrere Lasten parallel angeordnet sein.Parallel to the DC link capacity 9 is an example of a burden 13 displayed. This may be, for example, a discharge circuit and / or an inverter, in particular an inverter of an at least partially electrically driven motor vehicle. In addition, DC-DC converters can also be connected. In general, several loads can be arranged in parallel.

Beim Einschalten der beiden Schütze 8 würde jedoch ein erheblicher Strom in die Zwischenkreiskapazität 9 fließen. Daher ist jeweils ein parallel zu dem Schütz 8 in dem ersten Hauptstrompfad 6 geschalteter Vorladestrompfad 20 vorgesehen, in dem eine erste Sicherung 22a, eine zweite Sicherung 22b und eine Halbleiterschalteinrichtung 21 vorgesehen und in Reihe geschaltet sind.When switching on the two contactors 8th However, there would be a significant current in the DC link capacity 9 flow. Therefore, each one is parallel to the contactor 8th in the first main stream path 6 switched precharge current path 20 provided in which a first fuse 22a , a second backup 22b and a semiconductor switching device 21 provided and connected in series.

Die Halbleiterschalteinrichtung (mit wenigstens einem schaltenden Halbleiter) 21 wird durch eine Pulsweitenmodulation angesteuert. Die Halbleiterschalteinrichtung 21 ist dargestellt als eine Kombination eines idealen Schalters 21a mit dem Widerstand R_On 21b, der den Widerstand darstellt, der übrig bleibt, wenn Halbleiter durchgeschaltet sind. Im geschalteten Zustand lässt die Halbleiterschalteinrichtung 21 eine Energiemenge durch, so dass durch die pulsweitenmodulierte Ansteuerung sog. Ripple-Ströme entstehen, die der Vorladepfad 20 entsprechend seiner Auslegung übertragen kann. Die Sicherung 22a dient zur Freischaltung des Energiespeichermoduls im Fehlerfall und schützt die Halbleiterschalteinrichtung 21 vor Zerstörung während der Vorladephase. Die zweite Sicherung 22b ist zum Zwischenkreis hin angeordnet und verhindert einen fortgesetzten Schaden bei einem Fehler in der Halbleiterschalteinrichtung selbst.The semiconductor switching device (with at least one switching semiconductor) 21 is controlled by a pulse width modulation. The semiconductor switching device 21 is shown as a combination of an ideal switch 21a with the resistor R_On 21b which represents the resistance left over when semiconductors are turned on. In the switched state leaves the semiconductor switching device 21 an amount of energy, so that by the pulse width modulated control so-called. Ripple currents arise, the precharge path 20 according to its interpretation. The fuse 22a serves to release the energy storage module in case of failure and protects the semiconductor switching device 21 from destruction during the preloading phase. The second backup 22b is arranged toward the intermediate circuit and prevents continued damage in the event of a fault in the semiconductor switching device itself.

Auch kann die Halbleiterschalteinrichtung 21 eine eigene Verbindung 7a zum Massepotential des Energiespeichermoduls 2 haben.Also, the semiconductor switching device 21 a separate connection 7a to the ground potential of the energy storage module 2 to have.

Die Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung der Halbleiterschalteinrichtung 21 ist so ausgelegt, dass sie einen Effektivstrom erzeugt, der in der Regel immer unter dem Auslösestrom der Sicherungen 22a und 22b bleibt. Durch die Veränderung der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalteinrichtung 21 kann der Effektivstrom durch den Vorladestrompfad 20 verändert und gesteuert werden.The pulse width modulation for driving the semiconductor switching device 21 is designed to produce an RMS current which is usually always below the tripping current of the fuses 22a and 22b remains. By changing the pulse width modulated control of the semiconductor switching device 21 can the RMS current through the Vorladestrompfad 20 be changed and controlled.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierbei entsprechen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen den Komponenten der 1 und werden nicht gesondert beschrieben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 2 nur ein Energiespeichermodul 2 mit den entsprechenden Hauptstrompfaden 6, 7 gezeigt. Die anderen hierzu analog zur 1 parallel geschalteten n Energiespeichermodule 2 sind nicht dargestellt. Die Besonderheit dieser Ausführungsform liegt in dem Vorladestrompfad 40, der jeweils parallel zu dem Schütz 8 in den ersten Hauptstrompfaden 6 geschaltet ist. Der Vorladestrompfad umfasst einen ersten Zweig, aufweisend die Reihenschaltung aus den Sicherungen 22a und 22b und der Halbleiterschalteinrichtung 21, die mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird, wie vorstehend für 1 beschrieben. Parallel hierzu ist ein herkömmlicher Vorladestrompfad (Vorladewiderstandspfad) geschaltet, mit einem sog. Vorladeschütz 11 und mit einem Schutzwiderstand 12 in Reihe hierzu. 2 shows a schematic representation of a circuit arrangement according to another embodiment of the invention. Here, components with the same reference numerals correspond to the components of 1 and will not be described separately. For clarity, is in 2 only one energy storage module 2 with the corresponding main current paths 6 . 7 shown. The others on this analogy to 1 parallel n energy storage modules 2 are not shown. The peculiarity of this embodiment lies in the precharge current path 40 , each parallel to the contactor 8th in the first main stream path 6 is switched. The precharge current path includes a first branch, comprising the series connection of the fuses 22a and 22b and the semiconductor switching device 21 , which is driven by means of a pulse width modulation, as above for 1 described. Parallel to this, a conventional precharge current path (precharge resistance path) is connected, with a so-called precharge contactor 11 and with a protective resistor 12 in series with this.

Dadurch lässt sich der Vorladepfad mit den teuren Bauteilen der Halbleiterschalteinrichtung in seiner Leistung noch kleiner dimensionieren, da der Gesamtstrom sich noch zusätzlich auf den klassischen Vorladewiderstand verteilt. Hierbei wird der Vorladepfad mit den Halbleitern zuerst betrieben und nach einem Zuschaltkriterium bei geeigneter Spannungsdifferenz der Vorladewiderstandspfad dazu geschaltet. Der Vorgang ist mit dem Zuschalten des Hauptschützes 8 im ersten Hauptstrompfad 6 abgeschlossen.As a result, the precharging path with the expensive components of the semiconductor switching device can be dimensioned even smaller in terms of its performance, since the total current is additionally distributed over the classic precharging resistor. In this case, the precharge path is first operated with the semiconductors and, according to a connection criterion, with a suitable voltage difference, the precharge resistance path is connected thereto. The process is with the connection of the main contactor 8th in the first main stream path 6 completed.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierbei entsprechen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen den Komponenten der 1 und werden nicht gesondert beschrieben. 3 shows a schematic representation of a circuit arrangement according to another embodiment of the invention. Here, components with the same reference numerals correspond to the components of 1 and will not be described separately.

Der Vorladestrompfad 20 ist in der gezeigten Ausführungsvariante nur mit einer Absicherung 22a dargestellt. Der Vorladestrompfad 20 kann jedoch wiederum eine zweite Absicherung 22b aufweisen, die zum Zwischenkreis hin angeordnet ist. Die Besonderheit der in 3 gezeigten Ausführungsvariante liegt darin, dass der Vorladestrompfad 20 nun zusätzlich zu der Absicherung 22a bzw. zu den Absicherungen 22a und 22b und der Halbleiterschalteinrichtung 21, der mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird, ferner ein kostengünstiges Schütz 24 aufweist, das der Sicherung 22a vorgeschaltet ist. Das Schütz 24 ist ausgelegt für die gleichen maximalen Ströme, wie die der Halbleiterschalteinrichtung 21, um eine allpolige Freischaltung des Energiespeichermoduls 2 einfach zu ermöglichen. Hier könnten aber auch Handschalter, die nur im Falle von elektrischen Arbeiten am HV-Verteiler für die vorgeschriebene Freischaltung sorgen, eingesetzt werden. Ersatzweise kann auch die Sicherung 22a unter Spannung von ausgebildetem Personal entfernt werden, um der Freischaltung Genüge zu tun.The precharge current path 20 is in the embodiment shown only with a hedge 22a shown. The precharge current path 20 However, again a second hedge 22b have, which is arranged towards the intermediate circuit. The peculiarity of in 3 shown embodiment is that the Vorladestrompfad 20 now in addition to the hedge 22a or to the hedges 22a and 22b and the semiconductor switching device 21 , which is driven by a pulse width modulation, also a low-cost contactor 24 that has the fuse 22a upstream. The contactor 24 is designed for the same maximum currents as those of the semiconductor switching device 21 to an all-pole activation of the energy storage module 2 easy to enable. Here, however, manual switches, which provide only in the case of electrical work on the HV distributor for the prescribed activation, could be used. Alternatively, the fuse can 22a be removed under tension by trained personnel to do the activation.

Zur Überwachung des Vorladestrompfades sind ferner eine Strommessstelle 27 und zwei Spannungsmessstellen 25, 26 vorgesehen. Falls eine zweite Sicherung 22b (nicht dargestellt) zum Zwischenkreis hin angeordnet ist, können die Strommessstelle 27 und die Spannungsmessstelle 26 beispielsweise zwischen der Halbleiterschalteinrichtung 21 und der zweiten Sicherung 22b angeordnet sein.To monitor the Vorladestrompfades are also a current measuring point 27 and two voltage measuring points 25 . 26 intended. If a second backup 22b (not shown) is arranged to the intermediate circuit, the current measuring point 27 and the voltage measuring point 26 for example, between the semiconductor switching device 21 and the second fuse 22b be arranged.

Ferner ist eine Strommessstelle 31 und eine Spannungsmessstelle 29 im ersten Hauptstrompfad 6 vorgesehen. Alle Bauteile des Vorladestrompfades 20, d. h. das Schütz 24, die Strom- und Spannungsmessstellen 25, 26, 27, die Sicherung 22a und ggf. die Sicherung 22b (falls vorhanden) und der Halbleiterschalter 21 haben eine Schnittstelle zu einer Steuereinrichtung 23, die mit der Steuereinrichtung (Batteriemanagementsystem, BMS) 30 des Energiespeichermoduls 2 über eine Kommunikationsverbindung 28, z. B. in Form eines Datenbus, verbunden ist. Die Steuereinrichtung 23 erzeugt die Steuersignale der Pulsweitenmodulation zur Steuerung der Halbleiterschalteinrichtung 21. Die Steuereinrichtung 30 (BMS) prüft fortlaufend mit den Strom- und Spannungsmessstellen 31, 29, ob die Betriebsbedingungen des Energiespeichermoduls 2 eingehalten werden.There is also an electricity measuring station 31 and a voltage measuring point 29 in the first main stream path 6 intended. All components of the precharge current path 20 ie the contactor 24 , the current and voltage measuring points 25 . 26 . 27 , the fuse 22a and possibly the fuse 22b (if available) and the semiconductor switch 21 have an interface to a controller 23 connected to the control device (battery management system, BMS) 30 of the energy storage module 2 via a communication connection 28 , z. B. in the form of a data bus connected. The control device 23 generates the control signals of the pulse width modulation for controlling the semiconductor switching device 21 , The control device 30 (BMS) continuously checks with the current and voltage measuring points 31 . 29 Whether the operating conditions of the energy storage module 2 be respected.

Der Übersichtlichkeit wegen ist nur das in 1 obere Energiespeichermodul 2 mit den Hauptstrompfaden 6, 7 und dem Vorladestrompfad 20 mit Bezugszeichen versehen. Die n weiteren hierzu parallel verschalteten Energiespeichermodule 2 mit den entsprechenden Hauptstrompfaden und Vorladestrompfaden sind entsprechend baugleich ausgeführt.For the sake of clarity, only the in 1 upper energy storage module 2 with the main current paths 6 . 7 and the precharge current path 20 provided with reference numerals. The n other energy storage modules connected in parallel for this purpose 2 with the corresponding main current paths and Vorladestrompfaden are designed accordingly identical.

Alle Steuereinrichtungen 30 der einzelnen Energiespeichermodule 2 sind über eine Kommunikationsverbindung 32, z. B. über einen Datenbus, mit einer übergeordneten zentralen Controllereinheit 100 verbunden, die alle Informationen der Teilsysteme sammelt und entsprechende Führungssignale an die Teilsysteme zurückgibt. Die zentrale Controllereinheit 100 kann ein eigenständiges Steuergerät sein oder auch nur ein logisches SW-Modul innerhalb einer größeren Managementsoftware darstellen. [c1]All control devices 30 the individual energy storage modules 2 are via a communication connection 32 , z. B. via a data bus, with a parent central controller unit 100 which collects all information from the subsystems and returns appropriate routing signals to the subsystems. The central controller unit 100 can be a stand-alone controller or even just a logical SW module within a larger management software. [C1]

Nachfolgend werden beispielhaft die Einzelschritte in der Vorladephase beschrieben:
In einem ersten Schritt wird bei einem typischen Ladevorgang der Zwischenkreiskapazität 9 diese zunächst einpolig durch Schließen der Hauptschütze 8 in den zweiten Hauptstrompfaden 7 mit den jeweiligen Energiespeichermodulen 2 verbunden. Die Schütze 8 in den ersten Hauptstrompfaden 6 sind offen. Durch die einpolige Verbindung kommt noch kein Stromfluss zustande, d. h., der zweite Hauptstrompfad 7 wird ohne Last und damit verschleißfrei geschaltet. Anschließend werden alle Vorladestrompfade 20 durch Schließen der Schalter 24 geschlossen, womit das Schütz 8 im ersten Hauptstrompfad 6 überbrückt ist. Es fließt aber noch kein Strom.The individual steps in the pre-charge phase are described below by way of example:
In a first step, during a typical charging process, the DC link capacitance becomes 9 this initially unipolar by closing the main contactors 8th in the second main current path 7 with the respective energy storage modules 2 connected. The shooter 8th in the first main stream path 6 are open. Due to the single-pole connection there is no current flow, ie, the second main current path 7 is switched without load and thus wear-free. Subsequently, all pre-charging current paths 20 by closing the switch 24 closed, bringing the contactor 8th in the first main stream path 6 is bridged. But there is still no electricity flowing.

Der Vorladestrom kann nun in jedem Vorladestrompfad einzeln gestartet, eingestellt und geregelt werden. Es erfolgt für jeden der Vorladestrompfade 20 jeweils eine Spannungsmessung, um zu überprüfen, ob das Schütz 24 im jeweiligen Vorladestrompfad 20 geschlossen ist. Ist dies der Fall, beginnt nachfolgend der Pulsbetrieb des entsprechenden Halbleiterschalters 21, um den Strom durch den jeweiligen Vorladestrompfad 20 gemäß einer vorgegebenen Verlaufsfunktion größer oder kleiner zu stellen. Hierbei verfolgt die Strommessung an der Messstelle 27 den sich einstellenden Zweigstrom mit Vorzeichen. Die zulässige Größe des Stroms in einem Vorladestrompfad 20 wird über die Pulsweitenmodulation am Steuereingang des Halbleiterschalters 21 geregelt. Falls die Sicherungen 22a und 22b angesprochen haben, entsteht eine Fehlermeldung, da der Strom gleich null ist. In diesem Fall erfolgt der Abbruch der Vorladung.The pre-charging current can now be started, adjusted and regulated individually in each pre-charging current path. It is done for each of the precharge circuits 20 each a voltage measurement to check if the contactor 24 in the respective Vorladestrompfad 20 closed is. If this is the case, then begins the pulse operation of the corresponding semiconductor switch 21 to the current through the respective Vorladestrompfad 20 to increase or decrease according to a given gradient function. Here the current measurement follows at the measuring point 27 the self-adjusting branch current with sign. The permissible size of the current in a precharge current path 20 is via the pulse width modulation at the control input of the semiconductor switch 21 regulated. If the fuses 22a and 22b have raised an error message because the current is zero. In this case, the cancellation of the summons takes place.

Die Spannungsmessung an den Spannungsmessstellen 26 verfolgt den Ladevorgang der Zwischenkreiskapazität 9, und die Strommessung 27 überwacht die zulässigen Ströme.The voltage measurement at the voltage measuring points 26 tracks the charging process of the DC link capacity 9 , and the current measurement 27 monitors the permissible currents.

Übersteigt beim Aufladen der Zwischenkreiskapazität 9 ihr Potential das Spannungsniveau eines der Energiespeichermodule 2, so dreht sich das Vorzeichen im betroffenen Vorladestrompfad 20 um. Das entsprechende Batteriemodul 2 verhält sich nun wie ein Verbraucher. Die Aufladung der Zwischenkreiskapazität 9 wird dabei weiter mit ansteigendem Potential durch die übrigen Energiespeichermodule 2 fortgesetzt und es würde nun ein Ausgleichstrom in das entsprechende Energiemodul 2 mit der geringeren Spannung fließen. Der Pulsbetrieb der Halbleiterschalteinrichtung wird auf die zulässigen Ausgleichsströme des betroffenen Batteriemoduls 2 eingestellt. Es findet eine sanfte und kontrollierte Aufladung des betroffenen Batteriemoduls 2 statt. Der Ausgleichvorgang dauert solange, bis sich eine zulässige verbleibende Differenzspannung zwischen Batteriespannung 29 und dem HV-Verteiler im Spannungsmesspunkt 26 eingestellt hat. Dann kann die Halbleiterschalteinrichtung 21 gestoppt, der Schalter 24 geöffnet und der Hauptschütz 8 im Strompfad 6 geschlossen werden. Exceeds when charging the DC link capacity 9 their potential the voltage level of one of the energy storage modules 2 , so the sign rotates in the affected Vorladestrompfad 20 around. The corresponding battery module 2 now behaves like a consumer. The charging of the DC link capacity 9 will continue with increasing potential through the remaining energy storage modules 2 continued and it would now be a balancing current in the corresponding power module 2 flow with the lower voltage. The pulsed operation of the semiconductor switching device is limited to the allowable compensation currents of the affected battery module 2 set. It finds a gentle and controlled charge of the affected battery module 2 instead of. The compensation process continues until a permissible remaining differential voltage between battery voltage 29 and the HV distributor in the voltage measuring point 26 has set. Then, the semiconductor switching device 21 stopped, the switch 24 opened and the main contactor 8th in the current path 6 getting closed.

Die Vorladungsphase ist mit dem Zuschalten der Hauptschütze 8 in den ersten Hauptstrompfaden 6 zur Überbrückung der Vorladezweige 20 abgeschlossen.The precharge phase is with the connection of the main contactors 8th in the first main stream path 6 to bridge the Vorladezweige 20 completed.

Das hinzugekommene Energiespeichermodul 2 trägt nun ebenfalls zum Gesamtbetrieb des Fahrzeuges wieder bei.The added energy storage module 2 now also contributes to the overall operation of the vehicle again.

Die Steuereinrichtung BMS 30 überwacht nun den Betrieb dieses Energiespeichermoduls 2 und prüft fortlaufend über die eigene Temperatur- und Strommessungen 31, ob der Betrieb für dieses Energiespeichermodul 2 fortgesetzt werden kann. Übersteigt dabei die Temperatur einen vorgewählte Wert, so stößt die Steuereinrichtung BMS 30 die Steuereinrichtung 23 für den Betrieb der Halbleiterschalteinrichtung 21 für den kontrollierten Ausgleich des betroffenen Batteriemoduls 2 wieder an. Bevor der Vorladepfad 40 wieder verwendet werden darf, ist aber darauf zu achten, dass ein Lastfall mit geringem Strom zur Abschaltung von Schütz 8 im Strompfad 6 sich eingestellt hat. Dieser Strom darf das Hauptschütz 8 nicht altern lassen, um eine vorzeitigen Austausch zu vermeiden. Im Falle einer Fehlerfeststellung durch das BMS 30 wird der Pulsbetrieb während einer Vorlade- oder Ausgleichphase eingestellt und auch das Schütz 24 kann erneut zur Freischaltung geöffnet werden.The control device BMS 30 now monitors the operation of this energy storage module 2 and continuously checks its own temperature and current measurements 31 whether the operation for this energy storage module 2 can be continued. If the temperature exceeds a preselected value, then the control device BMS encounters 30 the controller 23 for the operation of the semiconductor switching device 21 for the controlled compensation of the affected battery module 2 back to. Before the preload path 40 However, it must be ensured that a load case with low current is used to switch off the contactor 8th in the current path 6 has adjusted. This current may be the main contactor 8th do not age to avoid premature replacement. In case of an error detection by the BMS 30 The pulse mode is set during a pre-charge or equalization phase and also the contactor 24 can be opened again for activation.

Es ist anzumerken, dass die Batteriesysteme mit der Vorladephase zu unterschiedlichen Zeitpunkten fertig sein können. Die übergeordnete zentrale Steuerungseinrichtung 100 entscheidet, ob ausreichend viele Batterien am Zwischenkreis, d. h. an den Hochvoltverteiler 16, angeschlossen sind, und startet den Fahrbetrieb, falls dies der Fall ist.It should be noted that the battery systems may be ready with the precharge phase at different times. The higher-level central control device 100 decides, if sufficient batteries on the DC link, ie on the high-voltage distributor 16 , are connected, and starts driving if this is the case.

Parallel dazu können noch Energiespeichermodule 2 in der Vorladephase sein. Sofern sich eine Zuschaltung eines Energiespeichermoduls nicht einstellt, kann eine Abschaltung dieses Teilsystems erfolgen und das Fahrzeug wird weiter betrieben, sofern die verbleibende Anzahl der Energiespeichermodule einen befriedigenden und erlaubten Fahrbetrieb zulässt.At the same time energy storage modules can still be used 2 be in the preloading phase. Provided that a connection of an energy storage module does not set, a shutdown of this subsystem can take place and the vehicle is operated, if the remaining number of energy storage modules allows a satisfactory and allowed driving.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.Although the invention has been described with reference to particular embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be substituted for without departing from the scope of the invention. Accordingly, the invention should not be limited to the disclosed embodiments, but should include all embodiments which fall within the scope of the appended claims. In particular, the invention also claims protection of the subject matter and the features of the subclaims independently of the claims referred to.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: EnergiespeichersystemEnergy storage system
22: EnergiespeichermodulEnergy storage module
33: Speicherzellememory cell
4, 54, 5: PolePole
66: Erster HauptstrompfadFirst main stream path
77: Zweiter HauptstrompfadSecond main stream path
7a7a: Schaltungstechnische Verbindung zwischen Halbleiterschalteinrichtung 21 und dem Massepotential des EnergiespeichermodulsCircuit connection between the semiconductor switching device 21 and the ground potential of the energy storage module
88th: Hauptschützmain contactor
99: Zwischenkreiskapazität, z. B. ZwischenkreiskondensatorDC link capacity, z. B. DC link capacitor
1313: Last, z. B. UmrichterLoad, e.g. B. Inverter
14, 1514, 15: Anschlussleitungenconnecting cables
1616: HochvoltverteilerHigh-voltage distribution
20, 4020, 40: VorladestrompfadVorladestrompfad
2121: Halbleiterschalteinrichtung, HalbleiterschalterSemiconductor switching device, semiconductor switch
21a21a: Schalter (Ersatzschaltbild für ideale Schalteigenschaft von Halbleitern)Switch (equivalent circuit diagram for ideal switching characteristic of semiconductors)
21b21b: Widerstand R_On (Ersatzschaltbild für ideal durchgeschaltete Halbleiter)Resistor R_On (equivalent circuit for ideally through-connected semiconductors)
22a22a: Sicherung auf der BatterieseiteFuse on the battery side
22b22b: Sicherung auf der ZwischenkreisseiteFuse on the DC link side
2323: Steuereinrichtung VorladepfadControl device precharge path
2424: Schalter, z. B. SchützSwitch, z. B. contactor
25, 26, 2925, 26, 29: SpannungsmesseinrichtungVoltage measuring device
3030: Steuereinrichtung Energiespeichermodul, BMSControl device energy storage module, BMS
27, 3127, 31: StrommesseinrichtungCurrent measurement device
28, 32 28, 32: Kommunikationsverbindungcommunication link
100100: Übergeordnete zentrale Controllereinheit, z. B. logisches SW-Modul in ManagementsoftwareHigher level central controller unit, z. B. logical SW module in management software

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014011795 A1 [0009]
DE 102008013706 A1 [0010]

Claims

Circuit arrangement for a DC link capacity, which is in particular connected upstream of an inverter of an at least partially electrically driven motor vehicle, comprising: a) an electrical energy storage system ( 1 ), comprising a plurality of energy storage modules ( 2 ) with - at least one memory cell ( 3 ), - one each first ( 4 ) and a second ( 5 ) Pol, - one each first ( 6 ) and a second ( 7 ) Main current path, each of which is connected to one of the poles ( 4 . 5 ) of the respective energy storage module ( 2 ) and at least the first main current path ( 6 ) by means of a switching device ( 8th ) is interruptible, and - in each case one parallel to the switching device ( 8th ) in the first main current path ( 6 ) precharging current path ( 20 ), which by means of a clocked semiconductor switching device ( 21 ) is interruptible; and b) a DC link capacity ( 9 ) directly or indirectly via the first and second main current paths ( 6 . 7 ) electrically to the plurality of energy storage modules ( 2 ) connected.

Switching arrangement according to Claim 1, characterized in that the semiconductor switching device ( 21 ) is controlled and regulated via a pulse width modulation.

Switching arrangement according to Claim 1 or 2, characterized by at least one in the precharging current path ( 20 ) in series with the semiconductor switching device ( 21 ) arranged fuse ( 22a . 22b ).

Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a in Vorladestrompfad ( 20 ) in series with the semiconductor switching device ( 21 ) arranged switches ( 24 ), in particular a contactor.

Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a in Vorladestrompfad ( 20 ) arranged measuring device ( 27 ) for current measurement in the precharging current path and / or at least one measuring device arranged in the precharging current path ( 25 . 26 ) for voltage measurement.

Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the holding conductor switching device ( 21 a) comprises at least one semiconductor switching element, or b) is a semiconductor relay; or c) is designed as a DC-DC converter with or without electrical isolation, and / or d) is bidirectionally operable.

Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a high-voltage distribution device ( 16 ), to which, on the one hand, the first and second main current paths ( 6 . 7 ) and on the other hand the DC link capacitance ( 9 ) connected.

Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each precharge current path ( 20 in each case a first control device ( 23 ), which is adapted to receive information from at least one of the following components in the precharge current path ( 20 ): measuring equipment for current measurement ( 27 ), the at least one measuring device for voltage measurement ( 25 . 26 ), the semiconductor switching device ( 21 ), the switch arranged in series with the semiconductor switching device ( 24 ) and the at least one fuse ( 22a . 22b ).

Switching arrangement according to Claim 8, characterized in that a) that the first control device ( 23 ) is formed in the Vorladestrompfad ( 20 ) information to an energy storage module control device ( 30 ) of the respective energy storage module ( 2 ) and control signals from the energy storage module controller ( 30 ) to recieve; and b) that a central control device ( 100 ), which is designed to store information, in particular measured values, from the energy storage module control devices ( 30 ) and receive control signals to the energy storage module controllers ( 30 ), in particular control signals for the semiconductor switching device, ( 21 ).

Switching arrangement according to Claim 9, characterized in that the energy storage module control devices ( 30 ) are designed to a) monitor a temperature of the respective energy storage module; b) if the monitored temperature exceeds a first temperature threshold, the semiconductor switching device ( 21 ) in the precharge current path ( 20 . 40 ) and the first main current path ( 6 ) to interrupt by means of the switching device arranged therein; and c) if the monitored temperature falls below a second temperature threshold again, the precharge current path ( 20 . 40 ) and the first main current path ( 6 ) close.

Switching arrangement according to Claim 9 or 10, characterized in that the central control device ( 100 ) and / or the first energy storage module control devices ( 30 ) are formed during a precharge of the DC link capacitance, a differential voltage between a voltage at the respective To monitor energy storage module and an output side of the precharging current voltage and a precharge via the respective Vorladestrompfad ( 20 . 40 ) to end only when the differential voltage has fallen below a predetermined threshold.

Switching arrangement according to Claim 9, 10 or 11, characterized in that the central control device ( 100 ) and / or the first energy storage module control devices ( 30 ) and / or first control device ( 23 ) are adapted, a compensation current for an energy storage module ( 2 ) via the preload path ( 20 . 40 ) within set current limits and the semiconductor switching device ( 21 ) with appropriate pulse width modulation taking into account the current sign.

Motor vehicle, in particular commercial vehicle, with a switching arrangement according to one of the preceding claims.

A method for precharging a DC link capacity, which is in particular upstream of an inverter of an at least partially electrically driven motor vehicle, characterized in that the DC link capacitance is precharged by means of a switching arrangement according to one of claims 1 to 12.

The method of claim 14, wherein the circuit arrangement comprises a arranged in Vorladestrompfad current measuring device in Vorladestrompfad, at least one arranged in Vorladestrompfad measuring device for voltage measurement and arranged in Vorladestrompfad in series with the semiconductor switching device switch and at least one arranged in the Vorladestrompfad in series with the semiconductor switching device fuse comprising the following steps: a) checking whether the switch arranged in series with the semiconductor switching device is closed in the respective precharge current path, for example by means of a voltage measurement for each of the precharge current paths; b) If this is the case, starting a pulse operation of the corresponding semiconductor switching device and regulating an allowable size of the current in the respective Vorladestrompfad on the pulse width modulation at the control input of the semiconductor switching device to make the current through the respective Vorladestrompfad according to a predetermined course function larger or smaller, wherein a adjusting branch current is monitored at the current measuring point; and c) Cancel the precharge if one of the fuses in the precharge path has responded.

Method for compensating battery charge states of battery modules connected in parallel, which are connected in front of an inverter of an at least partially electrically driven motor vehicle, in particular via an HV distribution, characterized in that a compensation of battery charge states between the batteries by means of a circuit arrangement according to one of claims 1 to 12 is performed ,