DE102008010097A1 - Electrical energy storage arrangement for use in electric vehicle for providing energy to e.g. consumer, has energy storages e.g. batteries, spatially associated to consumers and selectively switched on at charging device by supply line - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrischer Energiespeicher mit einer Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern und Verbrauchern. Sie bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeicheranordnung.The The invention relates to an arrangement of electrical energy storage with a plurality of electrical energy stores and consumers. It also relates to a method of operating such Energy storage arrangement.
Energiespeicheranordnungen mit mehreren Batterien als elektrischen Energiespeichern in Fahrzeugen sind allgemein bekannt.Energy storage devices with several batteries as electrical energy storage in vehicles are well known.
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Allgemein werden Batterien in einem Fahrzeug zumeist als kompakte Einheit fahrzeugmittig untergebracht. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist der dafür benötigte Raum an einer bestimmten Stelle im Fahrzeug, so dass beispielsweise der Platz im Kofferraum eines Fahrzeugs geringer ausfällt, weil ein Teil davon zur Unterbringung der Batterieeinheit verwendet wird. Weiterhin sind bei einer solchen zentralen Batterieanordnung die Wege von der Batterie zum Verbraucher teilweise sehr lang, so dass Leitungen mit einem entsprechend hohen Querschnitt verwendet werden müssen, um durch die damit erreichte Reduktion des Leitungswiderstands Verluste gering zu halten, wodurch sich jedoch Materialkosten und Gewicht erhöhen.Generally Batteries in a vehicle are usually a compact unit vehicle center housed. A disadvantage of such an arrangement is the space needed for a given Place in the vehicle so that, for example, the space in the trunk less of a vehicle because part of it is used to accommodate the battery unit. Farther are in such a central battery arrangement, the ways of the Battery to the consumer sometimes very long, so that lines must be used with a correspondingly high cross-section, by the thus achieved reduction of the line resistance losses low, which, however, material costs and weight increase.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung elektrischer Energiespeicher für ein Elektrofahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeicheranordnung anzugeben, mit der die o. g. Nachteile vermieden werden.A The object of the invention is therefore an arrangement of electrical Energy storage for an electric vehicle and a method to indicate the operation of such an energy storage device, with the o. g. Disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung elektrischer Energiespeicher, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Dazu ist bei einer Anordnung elektrischer Energiespeicher in einem Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einer Mehrzahl von Verbrauchern und einer Mehrzahl von Energiespeichern jeder Energiespeicher einem oder mehreren Verbrauchern räumlich zugeordnet. In die Kategorie der elektrischen Energiespeicher fallen unter anderem Batterien, Kondensatoren oder Supercaps.These The object is achieved by an arrangement of electrical energy storage, as claimed 1 is defined. This is in an arrangement of electrical energy storage in a vehicle, in particular electric vehicle, with a plurality of consumers and a plurality of energy stores each energy storage spatially associated with one or more consumers. In the category of electrical energy storage fall among other things Batteries, capacitors or supercaps.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7.In terms of of the method, the object is achieved according to the invention by the features of claim 7.
Die Erfindung basiert darauf, dass nicht mehr ein Energiespeicher oder eine Gruppe von Energiespeichern zentral, sondern aus einer Mehrzahl von Energiespeichern jeder einzelne Energiespeicher sehr nah oder direkt an dem oder je dem ihm jeweils zugeordneten Verbraucher platziert wird, beispielsweise an einem Antriebsrad bei einem für den Antrieb benötigten Radnabenmotor oder im Bereich der Rücklichter zum Betrieb des hinteren Beleuchtungssystems. Die Verbraucher werden aus den an diesen Stellen positionierten Energiespeichern direkt versorgt.The invention is based on the fact that no longer an energy storage or a group of energy storage centrally, but from a plurality of energy storage each energy storage is placed very close or directly to the or each associated with him consumers, for example, on a drive wheel at one for the Drive required wheel hub motor or in the field of Taillights for operation of the rear lighting system. Consumers are supplied directly from the energy stores positioned at these locations.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Raumaufteilung eines Fahrzeugs mit einer solchen dezentralen Batterieanordnung flexibler gestaltet werden kann, da für die einzelnen Energiespeicher jeweils eine günstige Positionierung möglich ist. Außerdem werden durch den aufgrund der räumlichen Zuordnung verkürzten Weg zwischen Energiespeicher und Verbraucher Energieverluste minimiert. Zudem können auch verschiedene, dem Verbraucher angepasste Energiespeicher, z. B. Batterien mit unterschiedlichen Spannungen oder Kapazitäten, eingesetzt werden, so dass verlustreiche Spannungstransformationen, wie z. B. eine Reduzierung der Spannung einer Batterie von 110 Volt auf 12 Volt für Beleuchtung, vermieden werden.Of the Advantage of the invention is that the layout of a Vehicle with such a decentralized battery assembly flexible can be designed as for the individual energy storage each a favorable positioning is possible. Furthermore are shortened by the due to the spatial allocation Path between energy storage and consumer Energy losses minimized. moreover can also be different, adapted to the consumer energy storage, z. B. Batteries with different voltages or capacities, be used so that lossy voltage transformations, such as B. a reduction of the voltage of a battery of 110 volts to 12 volts for lighting, to be avoided.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des unabhängigen Anspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. The relationships used point to further education the subject matter of the independent claim by the Features of the respective subclaim; they are not as a waiver of the achievement of an independent, objective protection for the characteristic combinations of the referenced ones Understand subclaims. Furthermore, with regard to to an interpretation of the claims in a closer Concretization of a feature in a subordinate claim assume that such a restriction in the respective previous claims is not present.
Wenn bei einer Energiespeicheranordnung die Energiespeicher über eine Versorgungsleitung selektiv an mindestens eine Aufladevorrichtung anschaltbar sind, ist dies vorteilhaft, da ein Fahrzeug zumeist über mindestens eine zentral angeordnete Aufladevorrichtung, also z. B. eine solche Vorrichtung in Kombination mit einem Anschluss an eine externe Energiequelle (Steckdose) oder Brennstoffzelle, verfügt, über die die nötige Energie zur Aufladung der Energiespeicher zur Verfügung steht. Eine Aufladung der Batterien kann somit von dieser Vorrichtung aus und mit einem für die angeschalteten Batterien geeigneten Ladestrom erfolgen.If in an energy storage device over the energy storage a supply line selectively to at least one charging device are connectable, this is advantageous because a vehicle mostly over at least one centrally located charging device, so z. For example, such a device in combination with a port an external power source (outlet) or fuel cell, has the the necessary energy to charge the energy storage is available. A charge of the batteries can thus from this device and with one for the connected batteries suitable charging current.
Ist jedem Energiespeicher ein Steuergerät zugeordnet und sind die Steuergeräte über einen Bus miteinander und mit einem Zentralsteuergerät verbunden, wobei insbesondere jedes Steuergerät die Funktion eines Zentralsteuergeräts, insbesondere gleichzeitig die Funktion als Zentralsteuergerät und als Steuergerät für einen jeweils angeschlossenen Energiespeicher, übernehmen kann, kann der Ladeprozess der Energiespeicher zentral gesteuert werden. Dadurch lässt sich über das Zentralsteuergerät beispielsweise auch eine Reihenfolge oder Priorität bei der Aufladung steuern. Wenn z. B. ein für den Antrieb benötigter Energiespeicher einen niedrigen Ladezustand hat, kann dieser bevorzugt zuerst aufgeladen werden.is Each energy storage device associated with a control unit and are the controllers via a bus with each other and connected to a central control unit, in particular each control unit has the function of a central control unit, in particular at the same time the function as a central control unit and as a control unit for each connected energy storage, take over can, the charging process, the energy storage centrally controlled become. This can be done via the central control unit, for example also an order or priority when charging Taxes. If z. B. a required for the drive Energy storage has a low state of charge, this may be preferred be charged first.
Soweit die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeicheranordnung betrifft, ist vorgesehen, dass das Zentralsteuergerät Eingangssignale empfängt und aufgrund dieser Eingangssignale ausgewertet wird, an welchen Energiespeicher ein Ladesignal gesendet wird und wie hoch ein Ladestrom und eine maximale Ladespannung sein müssen. Dadurch kann nachfolgend eine an die Energiespei cher und deren Ladezustand angepasste Versorgung gesteuert werden.So far the invention a method for operating such an energy storage device concerns, it is provided that the central control unit input signals receives and evaluated based on these input signals is to which energy storage a charging signal is sent and how high a charge current and a maximum charge voltage must be. As a result, a subsequent to the Energiespei cher and their state of charge adapted supply controlled.
Bevorzugt sind die Energiespeicher über die Versorgungsleitung in einer bestimmten Topologie, z. B. Linie, Ring, Stern oder Matrix, verbunden, so dass je nach Bedarf ein Leitungsquerschnitt verändert werden kann und/oder eine Versorgung unterschiedlicher Verbraucher möglich ist.Prefers are the energy stores over the supply line in a certain topology, eg. Line, ring, star or matrix, connected so that a line cross-section can be changed as needed can and / or a supply of different consumers possible is.
Weiter bevorzugt sind die Energiespeicher selektiv an eine parallel zur Versorgungsleitung geführte Masseleitung anschaltbar, da man auf diese Weise die Energiespeicher auf verschiedene Arten miteinander nahezu beliebig in Reihen- und/oder Parallelschaltungen koppeln kann, so dass z. B. Verbraucher mit höherem Versorgungsspannungsbedarf durch mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicher mit niedrigerer Spannung versorgt werden können.Further Preferably, the energy stores are selectively connected to a parallel to Supply line guided ground line connectable, since in this way the energy stores in different ways with each other couple almost arbitrarily in series and / or parallel circuits can, so that z. B. consumers with higher supply voltage through several energy storage devices connected in series with lower voltage can be supplied.
Wenn jedes Steuergerät ein Schaltmittel umfasst, mit dem ein Ladeschalter, der jeweils zwischen der Versorgungsleitung und dem dem Steuergerät zugeordneten Energiespeicher angeordnet ist, und ein Bypass-Schalter, der jeweils zwischen zwei Energiespeichern angeordnet ist, ansteuerbar sind, dann ergibt sich vorteilhaft, dass ein Ladestrom nur bei Bedarf an den dem Steuergerät zugeordneten Energiespeicher zu dessen Aufladung weitergeleitet wird, nämlich dann, wenn der Ladeschalter geschlossen wird. Speziell bei einer als Linien- oder Ringleitung ausgeführten Versorgungsleitung ist zur Weiterleitung des Ladestroms an Energiespeicher, die vom Zentralsteuergerät aus gesehen hinter nicht zum Laden vorgesehen Energiespeichern liegen, ein Schließen des Bypass-Schalters vorgesehen.If each control unit comprises a switching means with which a Charging switch, each between the supply line and the arranged the controller associated energy storage is, and a bypass switch, each between two energy stores is arranged, are controllable, then results in advantageous that a charging current only when needed to the control unit assigned energy storage forwarded to its charge is, namely, when the charging switch is closed. Especially for a line or ring line Supply line is for forwarding the charging current to energy storage, seen from the central control unit behind not to Loading provided energy stores are, a closing provided by the bypass switch.
Wenn für die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb der Energiespeicheranordnung vorgesehen ist, dann ist vorteil haft vorgesehen, dass das Zentralsteuergerät Eingangssignale von den Steuergeräten empfängt und aufgrund dieser Eingangssignale ausgewertet wird, an welchen Energiespeicher ein Ladesignal gesendet wird und wie hoch ein Ladestrom und eine maximale Ladespannung sein müssen. Dadurch kann nachfolgend eine an die Energiespeicher und deren Ladezustand angepasste Versorgung gesteuert werden.If a method for operating the energy storage device is provided for the invention, then it is advantageously provided that the central control unit receives input signals from the controllers and is evaluated based on these input signals, to which energy storage a charging signal is sent and how high a charging current and a maximum Charging voltage must be sen. As a result, a supply adapted to the energy store and its charge state can subsequently be controlled.
Bevorzugt sind die Verbraucher und deren zugeordnete Energiespeicher zumindest in eine erste und eine zweite Kategorie aufgeteilt, bei der antriebsrelevante und/oder sicherheitsrelevante Verbraucher der ersten Kategorie und/oder einer oder mehrerer hochprioren Kategorien alle anderen Verbraucher der zweiten Kategorie oder einer oder mehrerer niederprioren Kategorien angehören, so dass, wenn ein Ladezustand eines oder mehrerer Energiespeicher der ersten Kategorie einen bestimmten Schwellwert unterschreitet und ein Ladezustand eines oder mehrerer Energiespeicher der zweiten Kategorie einen bestimmten Schwellwert unterschritten hat, die Energiespeicher der ersten Kategorie mit einer im Vergleich zu den Energiespeichern der zweiten Kategorie höheren Priorität geladen werden. Dadurch wird bei einer begrenzten oder zur Neige gehenden Menge elektrischer Energie, z. B. der Versorgung des Fahrzeugantriebs, die höchste Priorität eingeräumt.Prefers are the consumers and their associated energy storage at least divided into a first and a second category, in the drive-relevant and / or security relevant consumers of the first category and / or one or more high priority categories all other consumers the second category or one or more lower priority categories belong, so if a state of charge of one or more Energy storage of the first category a certain threshold falls below and a state of charge of one or more energy storage the second category has fallen below a certain threshold, the energy stores of the first category with one in comparison to the energy storage of the second category higher priority getting charged. This will result in a limited or declining going amount of electrical energy, eg. B. the supply of the vehicle drive, the highest priority.
Weiter bevorzugt können die Energiespeicher der ersten und zweiten Kategorie sequenziell über eine bestimmte Zeitspanne geladen werden, beispielsweise so, dass zuerst einzelne oder alle hochpriore Energiespeicher, z. B. antriebsrelevante Energiespeicher, für eine bestimmte Zeitspanne, z. B. eine Minute, geladen werden, danach niederpriore Energiespeicher, z. B. ein Energiespeicher, der nicht antriebsrelevant ist, und beispielsweise die Sitzheizung versorgt, für eine weitere bestimmte Zeitspanne, z. B. 30 Sekunden, geladen wird, und danach wieder der antriebsre levante Energiespeicher für eine bestimmte Zeitspanne. Auf diese Weise kann Energiespeichern der ersten Kategorie für Ladevorgänge eine höhere Priorität zugeordnet werden, damit die diesen zugeordneten Verbraucher einsatzbereit bleiben oder werden, während zusätzlich jedoch auch die Aufladung von Energiespeichern der zweiten Kategorie mit niedrigerer Priorität durchgeführt wird, um einen größtmöglichen Fahrkomfort zu gewährleisten.Further Preferably, the energy storage of the first and second Category loaded sequentially over a period of time be such that first single or all high priority Energy storage, z. B. drive-relevant energy storage, for a certain period of time, eg. As a minute, are loaded, then low-energy storage, z. As an energy storage, not relevant to drive is, for example, and provides the seat heating, for a another certain period of time, eg. B. 30 seconds, is loaded, and then again the drive-relevant energy storage for a certain period of time. In this way, energy storage of the first category for loading a higher Be assigned priority so that the assigned to this Consumers stay or become operational while in addition, however, also the charging of energy storage the second category with lower priority, for the greatest possible driving comfort guarantee.
Wenn ein einem Steuergerät zugeordneter Ladeschalter geschlossen wird, wenn das Steuergerät ein Ladesignal vom Zentralsteuergerät empfängt, so dass der dem Steuergerät zugeordnete Energiespeicher geladen wird, ergibt sich vorteilhaft, dass ein nur für einen bestimmten Energiespeicher vorgesehener Ladestrom, der beispielsweise für andere Energiespeicher nicht geeignet wäre, über die Versorgungsleitung nur zu diesem Energiespeicher gelangt.If a charge switch associated with a controller is closed when the controller receives a charge signal from the central control unit receives, so that the control unit associated Energy storage is charged, that results in an advantageous only charge current intended for a particular energy store, for example, not suitable for other energy storage would be, about the supply line only to this Energy storage reaches.
Wenn ein einem Steuergerät zugeordneter Ladeschalter geöffnet und ein dem Steuergerät zugeordneter Bypass-Schalter geschlossen wird, wenn das Steuergerät kein Ladesignal oder ein Bypass-Signal vom Zentralsteuergerät empfängt, so dass der dem Steuergerät zugeordnete Energiespeicher nicht geladen und ein Ladestrom weitergeleitet wird, kann der Ladestrom über die Versorgungsleitung bis zu einem Energiespeicher, der geladen werden muss, weitergeleitet werden. Zudem kann verhindert werden, dass beispielsweise ein zu hoher Ladestrom einen nicht dafür ausgelegten Energiespeicher zerstört.If opened a charging device associated with a control unit and a bypass switch associated with the controller is closed when the controller is not a charge signal or a bypass signal receives from the central control unit, so that the Control unit allocated energy storage is not loaded and a charging current is forwarded, the charging current can over the supply line up to an energy store, which is charged must be forwarded. In addition, it can be prevented that, for example, too high a charging current not one for it destroyed energy storage destroyed.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die einem Steuergerät jeweils zugeordneten Ladeschalter und Bypass-Schalter über das Schaltmittel antivalent geschlossen oder geöffnet werden, so dass nicht beide Schalter gleichzeitig geschlossen sein können, wodurch ein Kurzschluss verhindert wird.Prefers is provided that the one control unit respectively assigned Charging switch and bypass switch via the switching means closed or opened antivalent, so not Both switches can be closed simultaneously, thereby a short circuit is prevented.
Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Unterschreitung einer Mindestkapazität eines Energiespeichers eine Notlaufversorgung aktiviert wird, bei der mindestens ein weiterer Energiespeicher mit gleicher oder geeigneter Nennspannung in einer Parallel- oder Reihenschaltung zugeschaltet wird. Auf diese Weise kann der Betrieb des Fahrzeugs gewährleistet werden.Furthermore is preferably provided that falls below a minimum capacity an emergency power supply is activated at an energy storage the at least one further energy store with the same or more suitable Rated voltage switched in a parallel or series connection becomes. In this way, the operation of the vehicle can be ensured become.
Wenn bei einem über einen Generator, insbesondere eine Brennstoffzelle, verfügendes Fahrzeug bei Unterschreitung einer Mindestkapazität eines Energiespeichers das Zentralsteuergerät dem Steuergerät dieses Energiespeichers ein Ladesignal und allen anderen Energiespeichern ein Bypass-Signal sendet und aufgrund der sich damit ergebenden Anschaltung des Energiespeichers an die Versorgungsleitung der Energiespeicher geladen wird, wird sichergestellt, dass der Energiespeicher die für den ihr zugeordneten Verbraucher benötigte Kapazität schnellstmöglich wiedererlangt und der Verbraucher einsatzfähig ist oder bleibt.If in a via a generator, in particular a fuel cell, equipped vehicle falls below a minimum capacity an energy storage device, the central control unit the control unit This energy storage a charging signal and all other energy storage sends a bypass signal and due to the resulting connection the energy store to the supply line of energy storage is charged, it ensures that the energy storage the needed for the assigned consumer Capacity recovered as soon as possible and the Consumer is or remains operational.
Bevorzugt ist für das Steuergerät außerdem ein Zusammenschaltmittel vorgesehen, mit dem der dem Steuergerät zugeordnete Energiespeicher zur Versorgung eines weiteren Verbrauchers zugeschaltet wird, wenn das Steuergerät ein Zusammenschaltsignal vom Zentralsteuergerät empfängt. So ist in dem Fall, in dem ein Verbraucher durch den ihm zugeordneten Energiespeicher nicht mehr ausreichend versorgt werden kann, z. B. durch einen Defekt, die Versorgung und damit die Einsatzfähigkeit des Verbrauchers über einen geeigneten anderen Energiespeicher in der Versorgungsleitung gesichert.Prefers is also for the controller Interconnection means provided with which the the control unit associated energy storage to supply another consumer is switched on when the control unit a interconnection signal received from the central control unit. So is in that Case in which a consumer through its associated energy storage can no longer be adequately supplied, z. B. by a defect, the supply and thus the operational capability of the consumer a suitable other energy storage in the supply line secured.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals. The or each embodiment is not to be construed as limiting the invention hen. Rather, numerous modifications and variations are possible within the scope of the present disclosure, in particular those variants and combinations which may be made, for example, by combination or modification of individual features described in the general or specific part of the specification and in the claims and / or the drawings Elements or process steps for the expert with regard to the solution of the problem can be removed and lead by combinable features to a new subject or to new process steps or process steps, even if they concern manufacturing, testing and working procedures.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Weitere
Batterieanordnungen sind denkbar, z. B. solche, bei denen die Versorgungsleitung
In
Eine
Verschaltung der Batterien
Damit
lässt sich die Erfindung kurz wie folgt darstellen: Es
wird eine Energiespeicheranordnung in einem Fahrzeug
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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