DE102008023292A1

DE102008023292A1 - Elektrische Energieversorgungseinheit und Verfahren zum Laden und Entladen von Akkumulatoren einer elektrischen Energieversorgungseinheit

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Publication number: DE102008023292A1
Application number: DE102008023292A
Authority: DE
Inventors: Robert Haas
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: Clean Mobile AG
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt. In diesem ist eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer ersten Spannung vorgesehen. An diese erste Spannung ist eine Reihenschaltung von Akkumulatoren mit mindestens einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator angeschlossen. Ein Übertrager weist einen magnetisierbaren Kern auf, wobei unter magnetisierbar verstanden wird, dass die magnetische Feldstärke dieses Kerns verändert werden kann. Der Übertrager weist zudem eine Primärspule, eine erste Sekundärspule und eine zweite Sekundärspule auf. Die erste Primärspule ist schaltbar an die erste Spannung anschließbar. Ein erster Sekundärschalter ist zum Parallelschalten der ersten Sekundärspule mit dem ersten Akkumulator vorgesehen. Das elektrische Antriebssystem weist ferner einen zweiten Sekundärschalter zum Parallelschalten der zweiten Sekundärspule mit dem zweiten Akkumulator auf. Der erste Sekundärschalter und der zweite Sekundärschalter sind unabhängig voneinander schaltbar.

Description

Elektrische Energieversorgungseinheit und Verfahren zum Laden und Entladen von Akkumulatoren einer elektrischen Energieversorgungseinheit
Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieversorgungseinheit und ein Verfahren zum Laden und Entladen von Akkumulatoren einer elektrischen Energieversorgungseinheit. Elektrisch betriebene Motoren für Fahrzeuge werden häufig mit hohen Spannungen gespeist, damit die Energieübertragung zum Motor mit möglichst wenig Übertragungsverlusten erfolgt. Wird die Energie zum Bereitstellen der hohen Spannungen in Akkumulatoren gespeichert, so werden sie häufig in Reihe geschaltet, damit jeder einzelne Akkumulator nur einen Teil der Gesamtspannung zur Verfügung stellt.
Es hat sich gezeigt, dass die Akkumulatoren mit zunehmender Alterung verschiedene Kapazitäten aufweisen, sodass sie unterschiedlich stark aufgeladen werden. Dadurch werden einerseits die vorhandenen Ladekapazitäten nicht vollständig genutzt, andererseits drohen einzelne Akkumulatoren überladen und somit defekt zu werden. Bspw. ist in der US 5,726,551 eine Batterieladeeinheit gezeigt, bei der die einzelnen Akkumulatoren nacheinander geladen werden, um Stromspitzen zu vermeiden. Allerdings ergibt sich bei einer solchen Vorrichtung wie oben beschrieben das Problem, dass einzelne Akkumulatoren überladen werden können.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Energieversorgungseinheit bereitzustellen, bei der das Überladen einzelner Akkumulatoren verhindert werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung entsprechende Verfahren zum Laden und zum Entladen von Akkumulatoren dieser elektrischen Energieversorgungseinheiten bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt. In diesem ist eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer ersten Spannung vorgesehen. An diese erste Spannung ist eine Reihenschaltung von Akkumulatoren mit mindestens einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator angeschlossen. Ein Übertrager weist einen magnetisierbaren Kern auf, wobei unter magnetisierbar verstanden wird, dass die magnetische Feldstärke dieses Kerns verändert werden kann.
Der Übertrager weist zudem eine Primärspule, eine erste Sekundärspule und eine zweite Sekundärspule auf. Die erste Primärspule ist schaltbar an die erste Spannung anschließbar. Ein erster Sekundärschalter ist zum Parallelschalten der ersten Sekundärspule mit dem ersten Akkumulator vorgesehen. Das elektrische Antriebssystem weist ferner einen zweiten Sekundärschalter zum Parallelschalten der zweiten Sekundärspule mit dem zweiten Akkumulator auf. Der erste Sekundärschalter und der zweite Sekundärschalter sind unabhängig voneinander schaltbar.
Die elektrische Energieversorgungseinheit ist so eingerichtet, dass die Akkumulatoren einzeln geladen oder entladen werden können. Zudem ist es möglich, alle Akkumulatoren gleichzeitig aus der in der ersten Spannung gespeicherten Energie zu laden. Dadurch, dass die Primärspule an die erste Spannung anschließbar ist, kann die Energie von einem einzelnen Akkumulator auf die gesamte Reihenschaltung von Akkumulatoren übertragen werden.
Die elektrische Energieversorgungseinheit ermöglicht aber auch, Energie von einer der Sekundärspulen auf eine andere Sekundärspule zu übertragen und somit unterschiedliche Ladezustände direkt auszugleichen. Falls die Sekundärschalter jeweils MOS-Transistoren aufweisen, wird die Verlustleistung verringert. Dadurch wird zusätzlich Energie eingespart.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Energieversorgungseinrichtung eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss der Primärspule oder zum Messen des Stroms in die Primärspule auf. Durch Schalten einer der Sekundärschalter kann die Spannung, die an dem entsprechenden Akkumulator anliegt, auf der Primärseite gemessen werden. Somit können durch diese Messschaltung die Spannungen an allen Akkumulatoren einzeln gemessen werden, ohne dass einzelne Messschaltungen an der Sekundärseite vorgenommen werden müssten. Zudem kann die gleiche Messschaltung genutzt werden, um die Höhe der ersten Spannung zu messen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss einer Sekundärspule oder des Stroms in eine Sekundärspule vorgesehen werden. Die Spannungen, die an den Primärspulen anliegen, und die Spannungen, die an den Sekundärspulen anliegen, können bei entsprechenden Beschalten der Primärschalter und Sekundärschalter die Spannung an dem Anschluss, der mit der Messschaltung verbunden ist, verändern.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Auswhlschalter zum Auswählen mindestens einer Verbindung von der Messschaltung zu einem Anschluss einer der Sekundärspulen vorgesehen. Bei dieser Variante kann durch den Multiplexer eine Spannung an einer Sekundärspule gemessen werden, wobei für die Vielzahl von Spannungen nur eine Messschaltung benötigt wird.
In einer Ausführungsform ist ein Gleichspannungswandler zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Spannung vorgesehen. Dies empfiehlt sich besonders, falls die verwendete Brennstoffzelle eine Spannung zur Verfügung stellt, die niedriger als die für den Motor am besten geeignete Spannung ist. Bspw. stellt eine übliche Methanolbrennstoffzelle eine Spannung von 24 V zur Verfügung. Zum Betrieb des Motors werden aber höhere Spannungen bevorzugt, damit die Energieübertragung von dem Energiespeicher zum Motor möglichst verlustarm erfolgt. Der Gleichspannungswandler ermöglicht dadurch, die Spannung an die gewünschte Betriebsspannung des Elektromotors anzupassen.
Falls die erste Spannung an einem Stack einer Brennstoffzelle anliegt, werden die bei einer Brennstoffzelle üblicherweise vorgesehenen Pumpen überflüssig. Ein Stack besteht einer Vielzahl von Metalllagen. An den beiden äußeren Metalllagen wird die erzeugte Spannung bereitgestellt. Die erzeugte Spannung ist üblicherweise sehr lastabhängig, der vorgestellte Übertrager ermöglicht aber eine direkte Ansteuerung dieses Stacks. Besonders geeignet ist diese Schaltung für Wasserstoffbrennstoffzellen.
In einer Ausführungsform ist zusätzlich eine Ladeschaltung zum Laden der Akkumulatoren und/oder zum Laden der Brennstoffzelle aus einer externen elektrischen Energiequelle vorgesehen. Mit tels der Ladeschaltung kann bspw. aus einem Versorgungsnetzwerk effizient erzeugte Energie zum Laden der Akkumulatoren oder der Brennstoffzelle verwendet werden. Falls zusätzliche Energie in der Brennstoffzelle transportiert und dort gespeichert werden soll, muss es sich um eine reversible Brennstoffzelle handeln.
Falls die Akkumulatoren jeweils als Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgeführt sind, kann auf relativ kleinem Raum viel Energie gespeichert werden. Allerdings muss dabei besonders darauf geachtet werden, dass keiner der Akkumulatoren überladen wird. In einer Ausführungsform gehört auch eine Steuerschaltung zum Schalten der Sekundärschalter.
Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren einer erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgungseinheit bereit. Bei diesem Verfahren wird zunächst die Spannung am ersten Akkumulator und die Spannung am zweiten Akkumulator gemessen. Anschließend wird der Primärschalter geschlossen und der Sekundärschalter für denjenigen Akkumulator geschlossen, dessen Spannung als zu niedrig bewertet wurde. Damit kann selektiv Energie aus der Reihenschaltung von Akkumulatoren auf einen einzelnen Akkumulator übertragen werden.
In einer Ausführungsform wird die Messung derart durchgeführt, dass die Spannung am ersten Akkumulator durch Messen der Spannung an einem Anschluss der Primärspule oder durch Messen des Stroms in die Primärspule gemessen wird. Dadurch können sämtliche Spannungen an den Akkumulator mit einer einzigen Messschaltung gemessen werden. Gegenüber Vorrichtungen mit mehreren Messschaltungen ergibt sich der Vorteil, dass keine Pro duktionsunterschiede zwischen den verschiedenen Messschaltungen Messfehler hervorrufen können.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Energieversorgungssystem mindestens eine weitere Reihenschaltung von Akkumulatoren. Eine weitere Spule ist vorgesehen, die mit der an die Spannung, die an der erste Reihenschaltung von Akkumulatoren anliegt, anschließbar ist. Somit kann auch die Spannung zusätzlich von einem Akkumulator auf eine einzelne von mehreren Reihenschaltungen übertragen werden, falls nur die Spannung, die an dieser Reihenschaltung anliegt, zu gering ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Entladen eines Akkumulators einer elektrischen Antriebseinheit mit folgenden Schritten: Es wird die Spannung am ersten Akkumulator und die Spannung, die am zweiten Akkumulator anliegt, gemessen. Falls die Spannung an dem ersten Akkumulator zu hoch ist, wird der erste Sekundärschalter geschlossen und anschließend der Primärschalter geschlossen. Damit kann effizient die Energie von einem einzelnen Akkumulator auf die Reihenschaltung von Akkumulatoren übertragen werden.
Bei einem Verfahren zum Laden eines Akkumulators einer elektrischen Antriebseinheit wird die Spannung am ersten Akkumulator und die Spannung, die am zweiten Akkumulator anliegt, ebenfalls gemessen. Falls die Spannung am ersten Akkumulator einen Schwellwert unterschreitet, wird der Primärschalter geschlossen und anschließend der Sekundärschalter geschlossen. Damit kann gezielt Energie zu einem einzelnen Akkumulator übertragen werden.
In einer Ausführungsform wir der Schwellwert anhand der an den Akkumulatoren der Reihenschaltung anliegenden Spannungen berechnet, womit die Akkumulatoren gleichmäßig geladen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein pedalgetriebenes Fahrzeug;
2 ein elektrisches Antriebsystem des Fahrzeugs aus 1;
3 das Entladen eines Akkumulators des elektrischen Antriebssystems;
4 den Signalverlauf zum Entladen des Akkumulators;
5 das Laden eines Akkumulators des elektrischen Antriebssystems;
6 die Signalverläufe zum Laden des Akkumulators;
7 ein Prinzipschaubild zum Messen der Ladezustände der Akkumulatoren;
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems;
9 den Stromverbrauch zum Laden und Entladen der Akkumulatoren.
10 zeigt einen Leistungsvergleich zwischen einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Lademethode.
11 zeigt einen Ausschnitt aus dem elektrischen Antriebssystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in der Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Fahrrads 1 mit Pedalen, die durch menschliche Leistung betrieben werden, und mit einer elektrischen Antriebseinheit 3. Die Pedale 2 und die elektrische Antriebseinheit 3 bewirken beide die Bewegung einer Kette 4 und damit des Hinterrads 5.
2 zeigt in einem Schaltbild das elektrische Antriebssystem 3. Das elektrische Antriebssystem 3 weist einen AC/DC-Wandler 9, einen Übertrager 12, einen Mikroprozessor 13, einen Gleichspannungswandler 14, eine Brennstoffzelle 10, eine Spannungsmessschaltung 15, eine Strommessschaltung 16 und einen Motor 17 auf. Die Brennstoffzelle 10, die bspw. als Methanolbrennstoffzelle ausgeführt ist, erzeugt eine Spannung U_B von 24 V. Der Gleichspannungswandler 14 erzeugt aus dieser Spannung die sogenannte erste Spannung U1 von 40 V, die zwischen einem Knoten K und der Masse 36 anliegt. Diese erste Spannung U1 liegt auch am Motor 17 an, damit er bei einer Drehmomentanforderung das Fahrzeug antreibt.
Ebenfalls an die erste Spannung U1 ist die Spannungsmessschaltung 15, die auch Schaltungen zum Energiemanagement enthält, angeschlossen. Diese Spannungsmessschaltung 15 misst die erste Spannung U1 und erhält Informationen über den zu erwartenden Verbrauch. Entsprechend der Höhe der ersten Spannung U1 und der Höhe des erwarteten Verbrauchs steuert die Spannungsmessschaltung 15 die Brennstoffzelle 10 an, um die Spannung U1 zu erhöhen.
Die von der Brennstoffzelle 10 bereitgestellte Energie wird in der Reihenschaltung der Akkumulatoren C1 bis Cn gespeichert. Dabei ist ein erster Anschluss des Akkumulators C1 mit der Masse 36 verbunden, während sein zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des zweiten Akkumulators C2 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des zweiten Akkumulators C2 ist mit dem ersten Anschluss des Akkumulators C3 verbunden, woran sich die Serie der übrigen Akkumulatoren anschließt. In einem gewählten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl an Akkumulatoren n = 10, sodass jeder der Akkumulatoren C1 bis Cn die elektrische Ladung bei einer Spannung von jeweils 4 V speichert.
Bei einigen Typen von Akkumulatoren, bspw. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, muss besonders darauf geachtet werden, dass eine einzelne Zelle nicht überladen wird. Liegt an einem der Akkumulatoren eine zu hohe Spannung an, so wird der Akkumulator defekt, sodass in der gesamten Reihenschaltung aus Akkumulatoren keine Energie mehr gespeichert wird.
Um dafür zu sorgen, dass die Akkumulatoren C1 bis Cn gleichmäßig aufgeladen werden, ist der Übertrager 12 vorgesehen. Der Übertrager 12 weist einen magnetisierbaren Kern 11 auf. Um diesen Kern 11 ist eine Primärspule Np gewickelt, die in dem Ausführungsbeispiel 90 Wicklungen aufweist. Ein erster Anschluss A1 der Primärspule Np ist mit dem Knoten K verbunden, während ein zweiter Anschluss A2 der Primärspule mit einem ersten Anschluss eines Primärschalters Sp1 verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit der Masse 36 verbunden ist. Der Pri märschalter Sp1 weist zudem einen Schalteingang auf. In Abhängigkeit dieses Schalteingangs wird eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss geschlossen bzw. geöffnet.
Der Übertrager 12 weist zudem n Sekundärspulen auf. In der 2 sind die erste Sekundärspule N1, die zweite Sekundärspule N2, die dritte Sekundärspule N3, sowie die n-te Sekundärspulen N_n explizit eingezeichnet. Diese Sekundärspulen N1 bis Nn weisen jeweils drei Wicklungen auf, die um den Kern 11 gelegt sind. Der Kern 11 ist magnetisierbar und dient zur Energieübertragung von der Primärspule Np auf eine Sekundärspule oder auf mehrere der Sekundärspulen N1 bis Nn. Jeder der Sekundärspulen ist zu einem der Akkumulatoren C1 bis Cn parallel schaltbar.
Die Sekundärspulen N1 bis Nn weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, die sich jeweils an einem Ende der Gesamtheit der Windungen befinden. Der erste Anschluss einer Sekundärspule ist mit dem zweiten Anschluss eines Akkumulators verbunden, während der zweite Anschluss der Sekundärspule mit einem ersten Anschluss eines Sekundärschalters verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des Akkumulators verbunden ist. Ein Schalteingang des Sekundärschalters steuert, ob die elektrische Verbindung des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss des Sekundärschalters geschlossen ist.
Der zweite Anschluss des ersten Akkumulators C1 ist mit dem ersten Anschluss der ersten Spule N1 verbunden, deren zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss des ersten Schalters S1 verbunden ist. Der zweite Anschluss des Schalters S1 ist mit dem ersten Anschluss des Akkumulators C1 verbunden. Desgleichen ist der zweite Anschluss des zweiten Akkumulators C2 mit dem ersten Anschluss der zweiten Sekundärspule N2 verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schalters S2 ist mit dem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärspule N2 verbunden und sein zweiter Anschluss ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Akkumulators C2 verbunden. Die Verbindungen zwischen den Akkumulatoren, Sekundärspulen und Schaltern erfolgt für die restlichen Akkumulatoren C3 bis Cn auf die gleiche Weise. Der Mikrocontroller 13 steuert die Schalter Sp1 und S1 bis Sn des Übertragers 12 jeweils an. Durch Schließen eines der Sekundärschalters S1 bis Sn wird eine Sekundärspule mit einem Akkumulator parallel geschaltet.
Die Akkumulatoren können alternativ auch von der Ladeschaltung 9, die mit einem Stecker mit einem externen Wechselstromnetz bspw. von 110 oder 230 V angeschlossen wird, geladen werden. Dazu wird der Ladeschalter SL1 geschlossen, womit die Reihenschaltung aus Ladeschalter SL1 und Ladeschaltung 11 mit der Reihenschaltung aus Akkumulatoren C1 bis Cn verbunden wird, die dadurch geladen werden. Dabei wird die Brennstoffzelle 10 ausgeschaltet. Dieses Laden ist sinnvoll, wenn Energie aus der Steckdose billiger als die Energie aus der Brennstoffzelle ist.
Falls es sich bei der Brennstoffzelle 10 über eine reversible Brennstoffzelle handelt, ist es auch möglich, überschüssige elektrische Energie in der Brennstoffzelle 10 in chemische Energie in der Brennstoffzelle 10 umzuwandeln, um sie dort zu speichern.
3 veranschaulicht den Entladevorgang eines der Akkumulatoren in zwei Phasen. Rechts neben den Akkumulatoren C1 bis C6 sind jeweils die Ladezustände der Akkumulatoren gezeigt. Die Akkumulatoren C1, C3, C4 und C6 sind jeweils zu 90% geladen, der zweite Akkumulator C2 ist zu 70% aufgeladen, während der fünfte Akkumulator C5 zu 100% aufgeladen ist. Der fünfte Akkumulator C5 droht bei Überschreiten der 100% defekt zu werden.
Zunächst wurden von dem Mikroprozessor 13 die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren C1 bis C6 gemessen, indem jeweils ein Sekundärschalter S1 bis Sn geschlossen wird. Anschließend wird die Spannung am zweiten Anschluss A2 der Primärspule gemessen, woraus auf die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren C1 bis C6 geschlossen wird.
Bei der Messung wird festgestellt, dass der fünfte Akkumulator C5 entladen werden muss. In einer ersten Phase, die links in der Figur gezeigt wird, wird der fünfte Sekundärschalter S5 geschlossen, wodurch sich der Strom in der fünften Sekundärspule N5 erhöht. Dadurch wird das in dem Kern 11 vorhandene Magnetfeld verändert, wobei Energie von der fünften Sekundärspule N5 auf den Kern 11 übertragen wird.
In einer zweiten Phase, der rechts in der Figur dargestellt wird, wird zunächst der fünfte Sekundärschalter S5 wieder geöffnet, bevor der Primärschalter Sp1 geschlossen wird. Das Magnetfeld im Kern 11 induziert eine Spannung in der Primärspule Np, die die über der Reihenschaltung der Akkumulatoren C1 bis C6 anliegende erste Spannung U1 erhöht. Da nur einer der Akkumulatoren C1 bis C6 entladen wird, wird relativ wenig Ladung umgeladen, so dass die Erhöhung der ersten Spannung U1 nicht so groß ist, dass dies eine Gefahr für das elektrische Antriebssystem 3 bedeuten würde.
4 zeigt ausgewählte Signalformen der Spannungen und Ströme aus 3. Die Signalverläufe sind für eine Periode t_cycle von 40 μs dargestellt. Die Periode unterteilt sich in eine Sekundärphase PS, eine Primärphase PP und eine Pause.
Der Primärschalter SP1 und der fünfte Sekundärschalter S5 sind jeweils als NMOS-Transistoren ausgebildet. Ihre jeweilige Verbindung wird geschlossen, wenn die Spannung an ihrem Steuereingang 2 V überschreitet. Während des Sekundärpulses PS wird der fünfte Sekundärschalter S5 durch Anlegen einer Spannung von 5 V am Gate des fünften Sekundärschalters S5 geschlossen. Dadurch steigt der Strom IDS durch die fünfte Sekundärspule N5 von 0 A auf etwa 18 A. Dadurch wird Energie auf den Kern 11 übertragen. Zu Beginn der auf die Sekundärphase folgende Primärphase wird die Spannung am Gate des fünften Schalters S5 auf 0 V reduziert. Zudem wird die Spannung am Gate des Primärschalters SP1 von 0 auf 5 V erhöht, sodass der Primärschalter SP1 geschlossen wird.
In der Primärspule NP wird nun Spannung induziert, sodass ein Strom von anfangs 5 A, der anschließend linear auf 0 A abfällt, erzeugt wird. Dieser erhöht die erste Spannung U1. Am Ende des Primärpulses wird auch die Spannung am Gate des Primärschalters SP1 auf 0 V gesenkt, sodass während der Pause keiner der Schalter SP, S1 bis S6 geöffnet ist.
Nach der Pause schließt sich wieder eine Sekundärphase an, falls noch einer der Akkumulatoren C1 bis C6 entladen werden soll.
5 veranschaulicht das Laden eines der Akkumulatoren in zwei Phasen. Die Akkumulatoren C1 bis C6 sind in der ersten Phase genauso aufgeladen wie während der ersten Phase in 3. Die Steuerschaltung hat erkannt, dass der zweite Akkumulator C2 nicht genügend aufgeladen wurde. Aus diesem Grund wird das Verfahren zum selektiven Aufladen des Akkumulators C2 gestartet. Während der ersten Phase wird der erste Primärschalter SP1 geschlossen, sodass sich ein Spannungsabfall über die Primärspule NP ergibt. Der dadurch erzeugte Strom bewirkt eine Änderung des Magnetfeldes im Kern 11, wodurch Energie in den Kern 11 übertragen wird.
Bei der, in 5 auf der rechten Seite dargestellt, zweiten Phase wird der Primärschalter SP1 zunächst geöffnet, bevor der zweite Sekundärschalter S2 geschlossen wird. Dadurch wird die zweite Sekundärspule N2 parallel zum zweiten Akkumulator C2 geschaltet. In der zweiten Sekundärspule N2 wird nun eine Spannung aufgebaut, die anschließend durch einen Entladestrom verringert wird. Dieser Entladestrom I2 bewirkt, dass der zweite Akkumulator C2 auf einen Wert 70% + x der Ladekapazität aufgeladen wird.
6 zeigt die Signalverläufe an ausgewählten Knoten während der zwei in 5 dargestellten Phasen. Die Periode t_cycle ist unterteilt in eine Primärphase, eine Sekundärphase und eine Pause, die nacheinander abfolgen.
Während der Primärphase wird das Gate des Primärschalters SP1 mit einer Spannung von 5 V angesteuert, sodass der Primärschalter SP1 schließt. Dadurch steigt der Strom in der Primärspule Np von 0 A auf etwa 4 A an. Zu Beginn der Sekundärphase wird die Spannung am Gate des Sekundärschalters SP1 auf Null gesenkt und anschließend die Spannung am Gate des zweiten Sekundärschalters S2 auf 5 V erhöht. Der sich ergebende Strom von Anfang 15 A sinkt innerhalb von 12 μs auf 0 A ab.
7 zeigt die Schaltung zum Messen der Ladungskapazitäten der Akkumulatoren C1 bis Cn. Der Mikrocontroller 13 steuert nacheinander selektiv die Sekundärschalter S1, S2, S3 bis Sn an, um sie nacheinander für jeweils eine kurze Zeit einzuschalten. Durch das Einschalten wird eine Spannung in einer der Sekundärspulen N1 bis Nn erzeugt, die eine Änderung der Spannung an dem zweiten Anschluss A2 der Primärspule Np bewirkt. Die Spannung liegt an dem Eingang des Tiefpassfilters 22 an, dessen Ausgang mit dem Eingang ADCin des Mikrocontrollers 13 verbunden ist. Dieser Eingang ist der Eingang eines Analog-Digital-Wandlers, mit dessen Hilfe die gefilterte Spannung zunächst analog gewandelt und anschließend digital weiterverarbeitet wird.
Je nachdem, wie groß die Spannung am Akkumulator ist, ist die Spannung am zweiten Anschluss A2 der Primärspule NP größer oder kleiner. Mittels der beschriebenen Vorrichtungen werden die Spannungen über den Akkumulatoren C1 bis Cn gemessen und verglichen. Ist eine der Spannungen größer als 5 des Mittelwerts aller Spannungen, so wird der entsprechende Akkumulator entladen. Ist dagegen die Spannung an einem der Akkumulatoren kleiner als 5 des Mittelwerts aller über den Akkumulatoren anliegenden Spannungen, so wird dieser Akkumulator geladen. Dadurch wird während sämtlicher Lade- und Entladevorgänge dafür gesorgt, dass die Akkumulatoren jeweils in etwa gleich viel geladen sind, wodurch ein Überladen eines Akkumulators verhindert wird und die Akkumulatoren gleichmäßig geladen werden.
Es ist auch möglich, zusätzlich zu den einzelnen Ladevorgängen alle Akkumulatoren C1 bis Cn gleichzeitig zu laden bzw. zu entladen, indem alle Sekundärschalter S1 bis Sn gleichzeitig geschlossen werden. Dies ist in der gewählten Ausführungsform nur für kurze Zeiträume vorgesehen. Nach diesen kurzen Zeiträumen werden wieder die Spannungen gemessen und die Akkumulatoren selektiv je nach Bedarf geladen bzw. entladen.
Ein in 2 gezeigter Block von zehn Akkumulatoren hat eine Kapazität von 10 bis 20 Ah. Der Übertrager ist etwa 4 cm × 4 cm × 1 cm groß und vermag etwa 10 A zu übertragen. Die Effizienz liegt bei 98%, d. h., lediglich 2% der Leistung wird in Verlustwärme umgewandelt.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Übertragers. Über den Kern 11 ist zusätzlich eine Tertiärspule Nhv gewickelt. Es ist somit möglich, die Energie auch an eine weitere Reihenschaltung von Akkumulatoren zu übertragen. Eine Reihenschaltung von Akkumulatoren wird im Folgenden auch als Block bezeichnet.
So kann Energie von der Primärspule Np auf die Tertiärspule Nhv oder umgekehrt übertragen werden. Alternativ kann Energieauch von den Sekundärspulen N1 bis Nn auf die Tertiärspule Nhv geschaltet werden.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Blöcken 120 und 121, die jeweils eine Reihenschaltung aus Akkumulatoren C1 bis Cn, sowie dazu parallel geschaltete Übertrager 12 aufweisen.
Der Block 120 ist mit seinem negativen 201 an die Masse 36 angeschlossen und mit seinem positiven Pol an den negativen Pol des Blocks 121 angeschlossen, dessen positiver 201 mit dem Knoten K verbunden ist. Es ist auch möglich, weitere Blöcke in Serie mit den Blöcken 120 und 121 zu schalten.
Der Block 120 stellt eine Spannung U120 zur Verfügung, während der Block 121 eine Spannung U121 zur Verfügung stellt. Die beiden Spannungen U120 und U121 addieren sich zu der ersten Spannung U1. Die Primärspulen Np dienen zum Übertragen von Energie aus einem Akkumulator auf einen gesamten Block 120 bzw. 121. Der Block 121 enthält eine Tertiärschalter St1, eine Sekundärspule Nt1, sowie eine Diode D1. Der erste Anschluss des Tertiärschalters St1 ist mit der Masse 36 verbunden, während sein zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss der Tertiärspule Nt1 verbunden ist, deren zweiter Anschluss mit der Anode der Diode D1 verbunden ist. Die Kathode der Diode ist mit dem Knoten K verbunden.
Ebenfalls in Reihenschaltung sind der Tertiärschalter St2, die Tertiärspule Nt2, sowie die Diode D2 miteinander verschaltet. Ein erster Anschluss des Schalters St2 ist mit der Masse verbunden, sein zweiter Anschluss ist mit einem ersten Anschluss der Tertiärspulen Nt2 verbunden. Der zweite Anschluss der Tertiärspule Nt2 ist mit der Anode der Diode D2 verbunden, deren Kathode auf dem Potenzial der Spannung U1 liegt.
Mittels der Tertiärspulen Nt1 und Nt2 kann Energie, die durch die erste Spannung U1 bereitgestellt wird, in einzelne Akkumulatoren C1 bis Cn der Blöcke 120 und 121 geladen werden.
10 zeigt einen Vergleich der Leistungsaufnahme einer aus dem Stand der Technik bekannten Ladeschaltung mit der vorgestellten aktiven Ladeschaltung. Die einzelnen Akkumulatoren haben eine Zielspannung von jeweils 3,6 V. Die mit I gekennzeichnete Ladeschaltung weist eine Serienschaltung von Widerständen auf, deren Verbindungsknoten selektiv mit einem Anschluss eines Akkumulators verbunden werden. Die Verlustleistung für das Laden und Entladen der Akkumulatoren ist entsprechend groß, sodass eine Leistungsaufnahme von 18,5 W simuliert wurde, wobei 18 W durch den tatsächlichen Umladevorgang bedingt sind und 0,5 W von der Steuerschaltung verbraucht werden. Die mit II gezeigte Ladeschaltung entspricht einer der oben vorgestellten aktiven Ladeschaltung eines elektrischen Antriebssystems.
Die Leistungsaufnahme für die aktive Ladungsschaltung beträgt 2 W, wobei wieder 0,5 W auf die Steuerschaltung, die im Wesentlichen in dem Mikrocontroller realisiert ist, entfällt.
11 zeigt einen Ausschnitt aus dem elektrischen Antriebssystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In der Figur sind die Reihenschaltung von Akkumulatoren C1 bis Cn, die Sekundärspulen S1 bi Sn und die Sekundärspulen N1 bis Nn gezeigt, wie sie aus beispielsweise 2 bekannt sind. Ein Unterschied ergibt sich bezüglich der Messschaltung 13. Es ist ein n:1 Mulitplexer vorgesehen, der einen der Zwischenknoten zwischen den Kondensatoren C1 bis Cn auf den Eingang des Tiefpassfilters 22 schaltet, dessen Ausgang mit dem Eingang ADCin des Mikroprozessors 13 verbunden ist. Die Messung erfolgt im Mikroprozessor 13 analog wie in dem Ausführungsbeispiel nach 7.

1: Fahrrad
2: Pedale
3: elektrische Antriebseinheit
9: Kern
10: Brennstoffzelle
11: AC/DC-Wandler
12: Übertrager
13: Mikrocontroller
14: Gleichspannungswandler
15: Spannungsmessschaltung
16: Strommessschaltung
17: Motor
22: Tiefpassfilter
C1: erster Akkumulator
C2: zweiter Akkumulator
C3: dritter Akkumulator
S1: erster Schalter
S2: zweiter Schalter
S3: dritter Schalter
N1: erste Sekundärspule
N2: zweite Sekundärspule
N3: dritte Sekundärspule
Np: Primärspule
Sp1: Primärschalter
U1: erste Spannung
U120: erste Teilspannung
U121: zweite Teilspannung
UB: Brennstoffzellenspannung
SL1: Ladeschaltungsschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5726551 [0003]

Claims

Elektrische Energieversorgungseinheit (3) für ein Fahrzeug, folgendes aufweisend: – eine Brennstoffzelle (10) zum Erzeugen einer ersten Spannung (U1), – eine an die erste Spannung (U1) angeschlossene Reihenschaltung von Akkumulatoren (C1, C2, C3, Cn) mit mindestens einem ersten Akkumulator (C1) und einem zweiten Akkumulator (C2), – einen Übertrager (12), der einen magnetisierbaren Kern (11), eine Primärspule (Np), eine erste Sekundärspule (N1) und eine zweite Sekundärspule (N1) aufweist, wobei die Primärspule (Np) schaltbar an die erste Spannung (U1) anschließbar ist, – einen ersten Sekundärschalter (S1) zum Parallelschalten der ersten Sekundärspule (N1) mit dem ersten Akkumulator (C1) und einen zweiten Sekundärschalter (S2) zum Parallelschalten der zweiten Sekundärspule (N2) mit dem zweiten Akkumulator (C2), wobei der erste Sekundärschalter (S1) und der zweite Sekundärschalter (S2) unabhängig voneinander schaltbar sind.
Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschalter jeweils als MOS-Transistoren ausgebildet sind.
Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss (A2) der Primärspule (Np) oder des Stroms in der Primärspule (Np).
Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Messschaltung zum Messen der Spannung an einem Anschluss einer Sekundärspule (N1, N2) oder des Stroms in eine Sekundärspule (N1, N2).
Elektrische Energieversorgungseinheit nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Auswahlschalter (110) zum Auswählen einer Verbindung von der Messschaltung zu einem Anschluss einer der Sekundärspulen (N1, N2).
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungswandler (14) zwischen der Brennstoffzelle (10) und der ersten Spannung (U1) vorgesehen ist.
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladeschaltung (9) zum Laden der Akkumulatoren (C1, C2, C3, Cn) und/oder der Brennstoffzelle (10) aus einer externen elektrischen Energiequelle vorgesehen ist.
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatoren (C1, C2, C3, Cn) jeweils als Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgeführt sind.
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, eine Steuerschaltung (13) zum Schalten der Sekundärschalter (S1, S2, S3, Sn).
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Spannungsmessschaltung (15) zum Messen der ersten Spannung (U1).
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Reihenschaltung (121) von Akkumulatoren vorgesehen ist und eine weitere Spule (Np1) vorgesehen ist, die an die Teilspannung (U120), die an der erste Reihenschaltung von Akkumulatoren anliegt, anschließbar ist.
Elektrische Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (U1) an einem Stack einer Brennstoffzelle anliegt.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energieversorgungseinheit einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer elektrischen Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, – Öffnen des Primärschalters (Sp1) und der Sekundärschalter (S1, S2) – Messen der am ersten Akkumulator (C1) anliegenden Spannung, und Messen der am zweiten Akkumulator (C2) anliegenden Spannung, – falls die an dem ersten Akkumulator anliegende Spannung kleiner als ein Schwellwert ist: Schließen des Primärschalters (Sp1) und Schließen des ersten Sekundärschalters.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der am ersten Akkumulator anliegenden Spannung durch Messen einer Spannung oder eines Strom an einem Anschluss (A1, A2) der Primärspule (Np) erfolgt.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeugs, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer elektrischen Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, – Öffnen des Primärschalters (Sp1) und der Sekundärschalter (S1, S2) – Messen der am ersten Akkumulator (C1) anliegenden Spannung, und Messen der am zweiten Akkumulator (C2) anliegenden Spannung – falls die an dem ersten Akkumulator anliegende Spannung größer als ein Schwellwert ist: Schließen des Primärschalters (Sp1) und Schließen des ersten Sekundärschalters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert aus der Vielzahl Spannungen, die an den Akkumulatoren anliegen, berechnet wird.