DE102009020178A1

DE102009020178A1 - System zum Speichern von Energie

Info

Publication number: DE102009020178A1
Application number: DE102009020178A
Authority: DE
Inventors: Lutz Elsholz; Nils Habedank; Adrian Kautsky; Axel Rudorff; Torsten Stichowski
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2010-11-11
Also published as: WO2010128066A2; WO2010128066A3

Abstract

Es wird ein System (100) zum Speichern von elektrischer Energie beschrieben. Das beschriebene Energiespeichersystem (100) weist auf einen ersten Energiespeicher (110) mit einer ersten Steuereinheit (115) zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des ersten Energiespeichers (110), einen zweiten Energiespeicher (120) mit einer zweiten Steuereinheit (125) zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des zweiten Energiespeichers (120), und übergeordnete Steuereinheit (150) zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands einer Gesamtheit von Energiespeichern (110, 120), welche den ersten Energiespeicher (110) und den zweiten Energiespeicher (120) umfasst. Es wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen System (100) zum Speichern von elektrischer Energie beschrieben. Außerdem wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Energiespeichersystems (100) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Speicherung von elektrischer Energie. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein System zum Speichern von elektrischer Energie, welches zumindest zwei Energiespeicher aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen System zum Speichern von elektrischer Energie. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Energiespeichersystems.
Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge bezeichnet man Fahrzeuge, die ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
Die elektrische Maschine eines Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator er möglicht sie beispielsweise beim Bremsen eine Rekuperation (Energie-Rückgewinnung) von Bewegungsenergie in elektrische Energie, die später wieder für den Antrieb genutzt werden kann.
Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses bei einem Hybridfahrzeug erfolgt typischerweise mittels einer Elektronik, welche allgemein auch kurz als Hybrid-Controller bezeichnet wird. Der Hybrid-Controller entscheidet unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
Die Energieentnahme aus einer Brennstoffzelle oder einem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie d. h. dem regenerativen Bremsen.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann auch während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt typischerweise der Verbrennungsmotor bereit.
Je nach Anwendung eines elektrischen Energiespeichers beispielsweise für (a) Hybridfahrzeuge, (b) sog. Plug-in Hybride, die über eine stationäre Steckdose aufgeladen werden können, oder (c) Elektrofahrzeuge werden derzeit von elektrischen Energiespeichern Spitzenleistungen im Bereich zwischen 10 kW und 200 kW gefordert. Die höheren Spitzenleistungen müssen dabei für den Betrieb von elektrifizierten Nutzfahrzeugen bereitgestellt werden.
Eine wichtige Anforderung, die von elektrischen Energiespeichern erfüllt werden sollte, besteht daher darin, ein Optimum des Produktes aus Spannung und Strom für eine geforderte Leistung zu finden. In diese Optimierungsbetrachtung gehen Material- und Kostenaspekte mit ein. So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass für ein vorgesehenes Anwendungsgebiet eine Systemauslegung sowohl auf sehr hohe Spannungen als auch sehr hohe Ströme bezogen auf eine einzelne Baugruppe kontraproduktiv wirkt.
Typische Maximalspannungen für einen elektrischen Energiespeicher, der im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden soll, liegen zwischen 100 V und 450 V. Die resultierenden Ströme können im Pulsbetrieb bis zu 400 A erreichen. Spannungen und Ströme über den genannten Werten führen üblicher Weise zu einem deutlich gesteigerten Aufwand beim Design von elektrischen Energiespeichersystemen in Hinblick auf (a) die Verfügbarkeit von einzelnen Systemkomponenten, (b) das mechanische Design und (c) die elektrische Sicherheit.
Der vorliegenden Erfindung liegt die vorrichtungsbezogene Aufgabe zugrunde, ein System zum Speichern von elektrischer Energie zu schaffen, welches auf einfache Weise an die jeweiligen elektrischen Anforderungen angepasst werden kann. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die verfahrensbezogene Aufgabe zugrunde, ein sicheres Herstellungsverfahren für das System zum Speichern von elektrischer Energie anzugeben.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein System zum Speichern von elektrischer Energie beschrieben. Das beschriebene Energiespeichersystem weist auf (a) einen ersten Energiespeicher mit einer ersten Steuereinheit zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des ersten Energiespeichers, (b) einen zweiten Energiespeicher mit einer zweiten Steuereinheit zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des zweiten Energiespeichers, und (c) eine übergeordnete Steuereinheit zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands einer Gesamtheit von Energiespeichern, welche den ersten Energiespeicher und den zweiten Energiespeicher umfasst.
Dem beschriebenen Energiespeichersystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mehrere Energiespeicher, welche mit ihrer Steuereinheit jeweils eine eigene ”Intelligenz” aufweisen, mittels der übergeordneten Steuereinheit zu einem Gesamtsystem zusammengeschaltet werden können. Die durch die jeweilige Steuereinheit bereitgestellte individuelle ”Intelligenz” der einzelnen Energiespeicher kann auch dafür ausgenutzt werden, dass der jeweilige Energiespeicher auch alleine zum Speichern und/oder zum Abgeben von elektrischer Energie betrieben werden könnte. Erfindungsgemäß sind jedoch die zumindest zwei Energiespeicher derart zusammengeschaltet, dass das Energiespeichersystem nach außen hin als ein Energiespeichersystem mit einer entsprechend hohen Leistung erscheint. Dabei können bevorzugt alle Funktionalitäten, welche die individuellen Steuereinheiten für die einzelnen Energiespeicher bereitstellen, von der übergeordneten Steuereinheit in entsprechender Weise für das Gesamtsystem bereitgestellt werden.
Bei dem beschriebenen Energiespeichersystem können die einzelnen Energiespeicher, welche jeweils eine individuelle Steuereinheit aufweisen, als Module bzw. modulare Komponenten aufgefasst werden. Die Aufgaben zum Management des gesamten Energiespeichersystems können dabei auf die übergeordnete Steuereinheit und auf die erste und die zweite Steuereinheit verteilt werden.
Abhängig von der gewünschten Gesamtleistung kann im Prinzip eine beliebige Anzahl derartiger Energiespeichermodule zu dem beschriebenen Energiespeichersystem zusammen geschaltet werden. Durch den beschrieben modularen Aufbau kann das Energiespeichersystem für eine Vielzahl von verschiedenen Leistungsklassen optimal ausgelegt werden. Durch den modularen Aufbau kann das beschriebene Energiespeichersystem besonders leistungsstark ausgelegt werden und zudem in der Handhabung sehr sicher sein.
Der modulare Aufbau des Gesamtspeichersystems ermöglicht große Freiheitsgrade in der Gesamtgestaltung eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest teilweise von einem elektrischen Antrieb angetrieben wird. Das Gesamtspeichersystem kann nämlich auf mehrere elektrisch miteinander verbundene Teilsystems verteilt werden, welche häufig einfacher im Fahrzeug platziert werden können. Wie bereits angedeutet, kann des Weiteren durch die Verschaltung von mehreren vergleichsweise kleinen Energiespeichern das Handling im Vergleich zu einem einzelnen deutlich größeren Energiespeicher erleichtert werden.
Auch in der Herstellung des Gesamtspeichersystems lassen sich Vorteile erzielen. So ist es aufgrund des modularen Aufbaus möglich, verschiedene Leistungsklassen von Energiespeichern auf einer Fertigungslinie zu produzieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Dokument der Begriff ”Steuern” sehr weit auszulegen ist. Der Begriff Steuern kann dabei insbesondere ein rückkopplungsfreies Steuern oder ein rückkopplungsbehaftetes Regeln umfassen. Im Falle einer rückkopplungsbehafteten Regelung ist selbstverständlich noch zumindest ein geeigneter Sensor erforderlich, welcher den aktuellen Betriebszustand der Energiespeichermodule und/oder des beschriebenen gesamten Energiespeichersystems erfasst. Dabei kann der Sensor ein beliebiger Sensor sein, welche eine physikalische und/oder eine chemische Messgröße erfasst. Die physikalische Messgröße kann beispielsweise die/der von den einzelnen Energiespeichermodulen oder dem gesamten Energiespeichersystem bereit gestellte elektrische Spannung bzw. Strom sein. Ferner kann beispielsweise die Temperatur der Umgebung und/oder der einzelnen Energiespeicher eine wichtige Messgröße sein, welche bei einer Regelung der Energiespeichermodule und/oder des gesamten Energiespeichersystems berücksichtigt wird. Eine chemische Messgröße kann beispielsweise der aktuelle chemische Zustand zumindest einer elektrochemischen Energiespeicherzelle sein, welche zur Speicherung von elektrischer Energie in dem ersten Energiespeicher und/oder dem zweiten Energiespeicher verwendet wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die übergeordnete Steuereinheit eine in Bezug auf die beiden Energiespeicher externe Steuereinheit, welche mit der ersten Steuereinheit und mit der zweiten Steuereinheit gekoppelt ist. Dies bedeutet dass das beschriebene Energiespeichersystem hierarchisch aufgebaut ist. Die übergeordnete Steuereinheit kann demzufolge auch als zentrale Steuereinheit bezeichnet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass von der zentralen Steuereinheit auch mehr als zwei Energiespeicher gesteuert werden können. Die einzelnen Energiespeicher können zueinander in Serie und/oder parallel geschaltet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die erste Steuereinheit und die übergeordnete Steuereinheit mittels einer Master-Steuereinheit realisiert, wobei die Master-Steuereinheit dem ersten Energiespeicher zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass das beschriebene Energiespeichersystem nach dem Prinzip eines Master-Slave Systems aufgebaut ist, wobei der zweite Energiespeicher und ggf. weitere Energiespeicher dem ersten Energiespeicher untergeordnet ist.
Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer zentralen Steuereinheit, welche zwar mit beiden Energiespeichern gekoppelt jedoch keinem Energiespeicher explizit zugeordnet ist, kann mit einem Master-Slave System eine Steuereinheit eingespart werden. Dies bedeutet, dass ein Energiespeichersystem mit n Teilsystemen genau eine Master-Steuereinheit bzw. einen MasterController und n – 1 Slave Steuereinheiten benötigt.
Das hier vorgestellte Prinzip erfordert somit auf vorteilhafte Weise für jedes Teilsystem bzw. jeden Energiespeicher lediglich nur eine Steuereinheit bzw. Controller. Weitere Steuereinheiten bzw. Controller sind nicht notwendig. Dies reduziert den Entwicklungsaufwand für Hardware und Software sowie die Kosten für die Hardware. Bei der Realisierung eines Master-Slave Energiespeichersystems kann es vorteilhaft sein, wenn möglichst viele Funktionen auf dem Master-Controller realisiert sind. Hierdurch kann der Slave-Controller vereinfacht werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Energiespeichersystem mehrere zweite Energiespeicher mit jeweils einem einfachen und damit auch preiswerten Slave-Controller aufweist. Ferner können sich weitere Kostenvorteile durch die Einsparung eines Gehäuses für eine externe bzw. zentrale Steuereinheit und dem daraus resultierenden geringeren Aufwand für eine Verdrahtung bzw. eine Verschaltung ergeben.
Im Vergleich zu der oben beschriebenen Ausführungsform mit einer zentralen Steuereinheit ist der apparative Aufwand bei dem an dieser Stelle beschriebenen Master-Slave Energiespeichersystem reduziert. Dies gilt sowohl für den Aufwand für Hardware als auch für den Aufwand für eine geeignete Software. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass weniger potentielle Fehlerquellen innerhalb des Gesamtsystems vorhanden sind. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des gesamten Energiespeichersystems.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher parallel und/oder in Serie zueinander angeordnet. Im Falle einer Serienschaltung kann dabei vorwiegend eine hohe Ausgangsspannung des beschriebenen Energiespeichersystems realisiert werden. Im Falle einer Parallelschaltung kann vorwiegend eine hohe Stromstärke von dem Energiespeichersystem bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste und/oder der zweite Energiespeicher (a) ein elektrochemischer Energiespeicher, (b) ein elektrostatischer Energiespeicher und/oder (c) eine Brennstoffzelle. Der elektrochemische Energiespeicher kann ein beliebiger Akku wie beispielsweise eine Nickel-Metallhydrid-Zelle oder ein Lithium- Ionen-Energiespeicher sein. Der elektrostatische Energiespeicher kann beispielsweise ein Doppelschichtkondensator sein.
Ein Lithium-Ionen-Energiespeicher kann mehrere Einzelzellen aufweisen, die seriell und/oder parallel verschaltet werden. Die Anzahl und die Verschaltung der Einzelzellen kann abhängig von der Spannung und/oder von dem Strom gewählt werden, wobei die Spannung und/oder der Strom von dem Lithium-Ionen-Energiespeicher bereitgestellt werden soll. So fordern unterschiedliche Applikationen wie beispielsweise Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge oder Anwendungen im Nutzfahrzeugbereich Spitzenleistungen zwischen 10 und 200 kW. Typische Spannungen liegen im Bereich zwischen 100 und 500 V. Im Nutzfahrzeugbereich sind Spannungen von bis zu 900 V zu erwarten. Die Stromstärke kann in einem Pulsbetrieb Spitzenwerte bis zu 400 A erreichen.
Im Vergleich zu anderen Kondensatoren weisen Doppelschicht-Kondensatoren, welche den beteiligten Fachkreisen auch unter den Begriffen bzw. Markennamen Goldcaps, Supercaps, Boostcaps oder Ultracaps geläufig sind, eine deutlich größere Kapazität auf. Die hohe Kapazität dieser Kondensatoren und damit die Möglichkeit der effektiven elektrostatischen Energiespeicherung beruht auf (a) einer großen Elektrodenfläche und (b) der Dissoziation von Ionen in einem flüssigen Elektrolyt, welches typischerweise ein Dielektrikum mit einer Dicke von nur wenigen Atomlagen bildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zumindest einer der beiden Energiespeicher ein Schaltelement zum Zuschalten und/oder zum Abschalten des einen der beiden Energiespeicher zu dem System auf. Die Verwendung von zumindest einem Schaltelement für den betreffenden Energiespeicher hat den Vorteil, dass dieser dynamisch zu dem Gesamtenergie speichersystem zugeschaltet und von dem restlichen Gesamtenergiespeichersystem herausgenommen werden kann. Der Schaltzustand des Schalelements kann dabei von der betreffenden individuellen Steuereinheit und/oder von der übergeordneten Steuereinheit gesteuert werden. Selbstverständlich muss im Falle einer Serienschaltung die Stelle, an der ein Energiespeicher herausgenommen wird, durch eine geeignete elektrische Verbindung überbrückt werde.
Das Zuschalten und/oder das Abtrennen von Energiespeicher(n) kann nicht nur im laufenden Betrieb des Energiespeichersystems durchgeführt werden. Das Zuschalten und/oder das Abtrennen kann auch erfolgen um für eine betreffende Bedienperson gefahrlos eine oder mehrere Energiespeicher gegen einen oder gegen mehrere neue Energiespeicher auszutauschen, um einen oder mehrere Energiespeicher dauerhaft von dem System zu entfernen und so die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu reduzieren oder um einen oder mehrere Energiespeicher dauerhaft dem System hinzuzufügen und somit die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die übergeordnete Steuereinheit eingerichtet, eine von dem System bereitgestellte Spannung und/oder einen von dem System bereitgestellten Strom zu messen. Die übergeordnete Steuereinheit kann somit durch eine einfach durchzuführende Messung den Betriebszustand des zumindest zwei Energiespeichermodule aufweisenden gesamten Energiespeichersystems erfassen.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass möglicher Weise auch eine der beiden individuellen Steuereinheiten jeweils die Spannung und/oder den Strom erfassen kann, welche bzw. welcher von dem jeweiligen Energiespeicher bereit gestellt wird. Die erfasste individuelle Spannung bzw. der er fasste individuelle Strom kann dann bei der Steuerung des jeweiligen einzelnen Energiespeichers berücksichtigt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die übergeordnete Steuereinheit eingerichtet, eine Isolationsüberwachung zwischen verschiedenen Komponenten durchzuführen, welche unterschiedlichen Spannungsnetzen zugeordnet sind.
Die Komponenten können dabei dem beschriebenen System bzw. Energiespeichersystem oder einer technischen Vorrichtung zugeordnet sein, welche mit dem Energiespeichersystem gekoppelt ist. Die technische Vorrichtung kann beispielsweise ein Fahrzeug sein, welches zumindest teilweise von dem Energiespeichersystem mit elektrischer Energie versorgt wird.
Die Isolationsüberwachung kann beispielsweise zwischen dem Netz des Energiespeichersystems, welches typischerweise ein Hochspannungsnetz mit einer Spannung von beispielsweise bis zu 1000 V ist, und dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges sein, welches beispielsweise ein Spannungsniveau von 12 V oder 24 V aufweist. Ferner kann die Isolationsüberwachung auch zwischen beliebigen Spannungsnetzen und einem Massepotential durchgeführt werden, welches typischerweise an einem Chassis des Kraftfahrzeugs anliegt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zentrale Steuereinheit eingerichtet, einen Ladungszustand und/oder die Leistungsfähigkeit der Gesamtheit von Energiespeichern zu bestimmen.
Anhand des Ladungszustandes, welcher auch als ”State of Charge” (SOC) bezeichnet wird, kann beispielsweise entschieden werden, ob es sinnvoll ist, die einzelnen Energiespeicher weiter aufzuladen. Die Leistungsfähigkeit, welche auch als ”State of Function” (SOF) bezeichnet wird, kann dabei ein Maß dafür sein, welche elektrische Energie unter den gegebenen Bedingungen, beispielsweise der Temperatur, von dem Energiespeichersystem bereit gestellt werden kann bzw. bereitgestellt werden könnte.
Der SOC und/oder die SOF können basierend auf Informationen ermittelt werden, welche von den einzelnen individuellen Steuereinheiten der übergeordneten Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden. In diesem Sinn kann durch die übergeordnete Steuereinheit eine Aufbereitung der individuellen Werte für den SOC und/oder die SOF vorgenommen werden, welche von den individuellen Steuereinheiten zur Verfügung gestellt werden.
Die Ermittlung des SOC- und/oder des SOF Wertes kann beispielsweise auf einfache Weise dadurch erfolgen, das jeweils der schlechtere bzw. der kritischere der beiden Werte als Gesamtwert verwendet wird, welche beiden Werte für den SOC oder für die SOF von den beiden individuellen Steuereinheiten an die übergeordnete Steuereinheit gemeldet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass es ebenso möglich ist, dass die übergeordnete Steuereinheit den SOC und/oder die SOF anhand von eigenen Messungen ermittelt.
Die übergeordnete Steuereinheit kann auch einen sog. zyklischen Wake-Up der zumindest zwei Einzelenergiespeicher initiieren, bei dem die jeweilige individuelle Steuereinheit zu vorbestimmten Zeiten die individuellen Werte für den SOC und/oder die SOF ermitteln und dann an die zentrale Steuereinheit melden. Die für den zyklischen Wake-Up erforderliche Stromversorgung kann dabei von der übergeordneten Steuereinheit bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die übergeordnete Steuereinheit eingerichtet, einen Ausgleich zwischen beiden Energiespeichern zu steuern. Der Ausgleich kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass innerhalb eines Energiespeichers durch gezielte Ladung und/oder Entladung bestimmter Einzelzellen eine homogene bzw. gleichmäßige Ladungsverteilung zwischen den Einzelzellen erreicht wird. In einem nachfolgenden Schritt können dann die beiden Energiespeicher hinsichtlich ihres Ladungszustandes aneinander angeglichen werden.
Der Ausgleich kann ferner ein Ausgleich des Ladungszustandes sein. Ein ungleicher Ladungszustand kann beispielsweise durch eine gezielte Teilentladung eines Energiespeichers realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die übergeordnete Steuereinheit einen Spannungswandler auf. Der Spannungswandler kann beispielsweise dazu verwendet werden, dass eine Bordnetzspannung eines Fahrzeugs, welches mit dem beschriebenen Energiespeichersystem ausgestattet ist, in eine Spannung umgewandelt wird, welche einer Versorgung der individuellen Steuereinheiten dient. So kann beispielsweise eine Versorgungsspannung in Höhe von 12 V für die individuellen Steuereinheiten erzeugt werden, indem eine Bordnetzspannung in Höhe von 24 V, wie sie beispielsweise für Lastkraftfahrzeuge verwendet wird, in bekannter Weise reduziert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Spannungswandlung auch eine Spannungserhöhung umfassen kann. Dies kann dann erforderlich sein, wenn die Bordnetzspannung eines Fahrzeugs kleiner ist als die Versorgungsspannung, welche für den Betrieb der individuellen Steuereinheiten verwendet wird.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass eine Spannungswandlung auch zum Zwecke einer geeigneten Versorgung für andere Komponenten des beschriebenen Energiespeichersystems vorgenommen werden kann. Außerdem ist auch möglich, dass von der übergeordneten Steuereinheit durch geeignete Spannungswandlungen mehrere Spannungspegel zum Versorgen von unterschiedlichen Komponenten des beschriebenen Energiespeichersystems bereit gestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die übergeordnete Steuereinheit eine Schnittstelle zu einem Kraftfahrzeug.
Die übergeordnete Steuereinheit kann als übergeordnete Einheit die Schnittstelle von dem Fahrzeug zu den Subkomponenten des Energiespeichersystems bilden. Dadurch erscheinen die verschalteten Subkomponenten in dem Fahrzeug als ein großer Energiespeicher. Durch diese Modularität können besonders leistungsstarke und in der Handhabung bzw. dem Handling sichere Energiespeichersysteme gebaut werden.
Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug sein. Die Schnittstelle kann beispielsweise ein Kommunikations-Gateway sein, über welches das beschriebene Energiespeichersystem an ein Bussystem des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Das Bussystem des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise ein Controller Area Network(CAN)-Bus, ein Local Interconnect Network(LIN)-Bus, ein Media Oriented Systems Transport(MOST)-Bus und/oder eine FlexRay Bus sein. Dies hat den Vorteil, dass die Schnittstelle eingerichtet ist mit üblichen in der Automobiltechnik verwendeten Bussystemen zu kommunizieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass das beschriebene Energiespeichersystem auch außerhalb der Automobiltechnik eingesetzt werden kann. Auch eine Anwendung zum Zwecke einer dezentralen Energieversorgung im stationären Bereich, beispielsweise in der Gebäudetechnik ist denkbar. Ebenso kann das beschriebene Energiespeichersystem auch zur Pufferung von Lastspitzen verwendet werden. Dies gilt insbesondere bei einer dezentralen Stromversorgung wie beispielsweise bei sog. Windkraftparks mit einer Mehrzahl von Windturbinen, die zur Vermeidung einer Windabschattung in ausreichendem Abstand zueinander angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches ein Energiespeichersystem des oben genannten Typs aufweist.
Dem beschriebenen Kraftfahrzeug liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das oben genannte System zu Speichen von elektrischer Energie zur Energieversorgung im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik verwendet werden kann. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Im Falle eines reinen Elektrofahrzeugs weist das Kraftfahrzeug lediglich einen Elektromotor auf, welcher von dem Energiespeichersystem mit Energie versorgt wird. Das Energiespeichersystem kann optional auch während des Betriebs des Elektrofahrzeugs aufgeladen werden, in dem beispielsweise die bei einem Bremsvorgang freiwerdende Bewegungsenergie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt und in das Energiespeichersystem eingespeist wird.
Sollte es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug handeln, dann weist das Kraftfahrzeug neben einen Elektromotor auch noch einen Verbrennungsmotor auf. Auch hier kann während des Betriebs ggf. elektrische Energie in den Energiespeicher eingespeist werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher derart in dem Kraftfahrzeug verteilt, dass das Kraftfahrzeug eine zumindest annähernd gleichmäßige Gewichtsverteilung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Fahreigenschaften und/oder das Bremsverhalten auch dann nicht nachteilig beeinflusst wird/werden, wenn die einzelnen Energiespeicher ein großes Gewicht aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Systems des oben beschriebenen Typs beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Platzieren des ersten Energiespeichers an einer vorbestimmten ersten Stelle, (b) ein Platzieren des zweiten Energiespeichers an einer vorbestimmten zweiten Stelle, und (c) ein Verbinden des ersten Energiespeichers mit dem zweiten Energiespeicher.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Montage des Energiespeichersystems, welches ein Hochspannungssystem darstellen kann, zunächst die einzelnen Subkomponenten des Systems platziert und an einer jeweils geeigneten Stelle befestigt werden können. Erst nachdem Vollenden der Subkomponentenmontage werden diese dann untereinander verbunden und zu dem beschriebenen Gesamtsystem verschalten. Dadurch kann auch bei einem vergleichsweise geringen Sicherheitsaufwand eine Gefährdung einer Person bei der Montage zumindest erheblich reduziert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass durch die Trennung von mechanischer und elektrischer Montage auch Wartungs- und/oder Reparaturaufgaben einfach und zugleich sicher durchgeführt werden können. Dabei können beispielsweise nach einem Abschalten des Hochspannungssystems einzelne Subkomponenten ohne größeren Aufwand gegen andere Subkomponenten ausgetauscht werden. Nach einem Koppeln der neuen Subkomponenten mit der zentralen Steuereinheit können diese dann von der übergeordneten Steuereinheit erkannt und registriert werden. Somit ist das Energiespeichersystem schnell und kostengünstig wieder einsetzbar. Dadurch können auf vorteilhafte Weise Standzeiten des Energiespeichersystems und ggf. eines mit dem Energiespeichersystem betriebenen Fahrzeugs reduziert werden. Es ist auch vorstellbar, dass die entladenen Energiespeicher in entsprechenden Austauchstationen durch geladene und gewartete Energiespeicher ersetzt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform. Die Figur der Zeichnung dieser Anmeldung ist lediglich als schematisch und als nicht zwingend maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt ein Energiespeichersystem mit zwei in Serie geschalteten Energiespeichern und einer zentralen Steuereinheit, die jeweils einer individuellen Steuereinheit der beiden Energiespeicher gekoppelt ist.
2 zeigt ein Energiespeichersystem mit zwei in Serie geschalteten Energiespeichern, wobei einem Energiespeicher ein Master-Controller und dem anderen Energiespeicher ein Slave-Controller zugeordnet ist.
Rein vorsorglich wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
In der Zeichnung sind einander entsprechende Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen mit Bezugszeichen versehen, welche gleich sind oder sich lediglich durch die erste Ziffer unterscheiden. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht noch einmal im Detail erläutert.
1 zeigt ein Energiespeichersystem 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Energiespeichersystem 100 weist einen ersten Energiespeicher 110, einen zweiten Energiespeicher 120 und ein zentrale Steuereinheit 150 auf. Jeder der beiden Energiespeicher 110 und 120 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 111 bzw. 121 auf. In diesem Dokument wird die zentrale Steuereinheit 150 auch als übergeordnete Steuereinheit und/oder als Master Controller bezeichnet.
Der erste Energiespeicher 110 weist eine erste Steuereinheit 115 zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des ersten Energiespeichers 110 auf. Die erste Steuereinheit wird auch als erster Batterie Modul Controller (BMC) 115 bezeichnet. Zur Überwachung des Zustands des ersten Energiespeichers 110 ist der BMC 115 über jeweils eine nicht mit einem Bezugszeichen versehene Messleitung mit verschiedenen Knotenpunkten innerhalb des ersten Energiespeichers 110 verbunden. Zur Steuerung des Energiespeichers 110 ist der BMC 115 ferner über nicht dargestellte Steuerleitungen mit zwei Schaltelementen 118a und 118b verbunden. Durch ein Öffnen der Schaltelemente 118a und 118b kann der erste Energiespeicher 110 von dem Energiespeichersystem 100 abgetrennt werden.
In entsprechender Weise weist der zweite Energiespeicher 120 eine zweite Steuereinheit 125 zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des zweiten Energiespeichers 120 auf. Die zweite Steuereinheit wird auch als zweiter BMC 125 bezeichnet. Zur Überwachung des Zustands des zweiten Energiespeichers 120 ist der zweite BMC 125 über jeweils eine Messleitung mit verschiedenen Knotenpunkten innerhalb des zweiten Energiespeichers 120 verbunden. Zur Steuerung des zweiten Energiespeichers 120 ist der BMC 125 ferner über nicht dargestellte Steuerleitungen mit zwei Schaltelementen 128a und 128b verbunden. Durch ein Öffnen der Schaltelemente 128a und 128b kann der zweite Energiespeicher 120 von dem Energiespeichersystem 100 abgetrennt werden.
Die jeweils in Serie geschalteten Energiespeicherzellen 111, 121 sind in der Figur schematisch als Kondensatoren dargestellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Energiespeicherzellen 111, 121 auch beliebige elektrochemische Speicher wie beispielsweise Lithium Ionen Batteriezellen sein können. Ebenso können die Energiespeicherzellen 111, 121 innerhalb eines Energiespeichers 110, 120 auch parallel oder teilweise in Serie und teilweise parallel zueinander angeordnet sein.
Zwischen den beiden Energiespeichern 110 und 120 befindet sich noch eine Sicherung 142, welche bei einem Überschreiten einer kritischen Stromstärke durchbrennt und somit beispielsweise bei einem Kurzschluss eine irreversible Beschädigung der Energiespeicher 110, 120 verhindert.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist der übergeordnete Controller 150 über eine Spannungsversorgungsleitung 115b mit dem ersten Energiespeicher 110 und über eine Spannungsversorgungsleitung 125b mit dem zweiten Energiespeicher 120 verbunden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird über die beiden Spannungsversorgungsleitungen 115b und 125b jeweils eine Spannung von 12 V dem jeweiligen Energiespeicher bereitgestellt.
Ferner ist der übergeordnete Controller 150 über eine Verbindungsleitung 115a mit dem ersten BMC 115 und über eine Verbindungsleitung 125a mit dem zweiten BMC 125 verbunden. Die beiden BMC 115 und 125 können daher Daten bezüglich der Betriebszustandes der beiden Energiespeicher 110, 120 an den übergeordneten Controller 150 schicken. Dieser kann diese Daten dann aufbereiten und auf optimale Weise das ganze Energiespeichersystem 100 steuern und überwachen. Bei der beschriebenen Datenaufbereitung kann der übergeordnete Controller 150 auch noch Messwerte von Messungen berücksichtigen, welche er selber vornimmt. So können beispielsweise über eine Messleitung 152 Informationen über den aktuellen Gesamt-Spannungszustand der beiden in Serie geschalteten Energiespeicher 110 und 120 gewonnen werden. Ebenso kann natürlich auch die Stärke des aktuell aus dem Gesamtsystem 100 entnommenen oder in das Gesamtsystem eingespeisten Stroms bestimmt und bei der Datenaufbereitung berücksichtigt werden.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die zentrale bzw. die übergeordnete Steuereinheit 150 noch einen Spannungswandler 154 auf. Der Spannungswandler 154 wird hier dazu verwendet, eine 24 V Bordnetzspannung eines Fahrzeugs, welches mit dem beschriebenen Energiespeichersystem 100 ausgestattet ist, in eine Versorgungsspannung von 12 V umzuwandeln. Die Versorgungsspannung von 12 V kann zum Betrieb der zentralen Steuereinheit 150 verwendet werden. Ferner wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Versorgungsspannung von 12 V über die Spannungsversorgungsleitungen 115b und 125b den beiden BMC 115 und 125 zugeführt.
Die Energiebereitstellung von dem Energiespeichersystem 100 und die Energieeinspeisung in das Energiespeichersystem 100 erfolgen über zwei Leistungsanschlüsse 180a und 180b. Diese Leistungsanschlüsse 180a, 180b können beispielsweise so ausgelegt sein, dass sie Spannungen von bis zu 1000 V und Stromstärken von bis zu 400 Atragen. Im Falle der Verwendung des Energiespeichersystems 100 für ein Kraftfahrzeug kann den beiden Leistungsanschlüssen 180a, 180b ein DC/AC Konverter nachgeschaltet sein. Der DC/AC Konverter kann auch bestimmen, ob gerade Strom aus dem Energiespeichersystem 100 entnommen wird oder Strom in das Energiespeichersystem 100 eingespeist wird. Dem DC/AC Konverter ist dann typischerweise eine ebenfalls nicht dargestellte Elektromaschine nachgeschaltet. Ja nach Stromrichtung kann die Elektromaschine ein Motor oder ein Generator sein.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Steuereinheit 150 mit einem Fahrzeug-Bussystem 190 gekoppelt. Das Fahrzeug-Bussystem 190 kann beispielsweise ein CAN-Bus, ein LIN-Bus, ein MOST-Bus und/oder eine FlexRay Bus sein.
Die in Summe für das Management des gesamten Energiespeichersystems 100 zu lösenden Aufgaben können wie folgt auf die einzelnen Subsysteme verteilt werden:

A) Der übergeordnete Controller 150 kann insbesondere folgende Aufgaben übernehmen: – Messung der Gesamtspannung – Messung des Gesamtstroms – Temperaturmessung bei den einzelnen Energiespeichern – Steuerung einer Kühlung für den oder die einzelnen Energiespeicher (ggf. spezifisch für einzelne Zeller eines Energiespeichers) – Batteriemanagement beispielsweise durch Steuerung der Zustände der einzelnen Energiespeicher (Vorladung einer evtl. an den Leistungsanschlüssen 180a bzw. 180b angeschlossen Zwischenkreiskapazität auf Basis von Relais mit denen die Schalter 118a, 118b, 128a, 128b realisiert sein können) – Aufbereitung von Messwerten bzgl. des Ladungszustandes (SOC) und/oder des Betriebszustandes (SOF), welche von den individuellen Steuereinheiten 115 bzw. 125 übermittelt wurden – Vorhersage der Leistungsfähigkeit des gesamten Energiespeichersystems 100 und/oder der einzelnen Energiespeicher 110, 120 – Steuerung eines Einzelspannungsausgleichs innerhalb der beiden Energiespeichern 110, 120 insbesondere in Hinblick auf eine Symmetrie der Einzelspannungen – Steuerung eines Ladungsausgleichs zwischen den beiden Energiespeichern 110, 120 – Kommunikation mit dem Fahrzeug-Bussystem 190 (der übergeordnete Controller 150 ist ein Kommunikations-Gateway) und – Kommunikation mit den Steuereinheiten der – Wandlung einer Fahrzeug-Bordnetzspannung in eine Spannung zur Versorgung der einzelnen Subkomponenten/Energiespeicher des Energiespeichersystems 100 – Stromversorgung für ein zyklisches Wake-Up der einzelnen Subkomponenten/Energiespeicher – Durchleitung eines Überwachungsstromes durch mehrere Komponenten, welcher das Vorhandensein aller für einen effektiven Personenschutz erforderlichen Schutzeinrichtungen anzeigt (bei einem Abnehmen oder Entfernen einer Schutzeinrichtung wird der Überwachungsstrom unterbrochen/Interlock/Pilotline)(Sicherheitsmanagement) – Isolationsüberwachung zwischen verschiedenen Komponenten des Energiespeichersystems 100 und/oder des angeschlossenen Fahrzeugs (ISO-Messung) – Überwachung von Grenzwerten für den Betrieb der einzelnen Energiespeicher und/oder für das Gesamtsystem und ggf. Abschaltung einzelner oder aller Hardwarekomponenten – Erkennung der Zustände von elektrischen Schaltelementen und/oder Schützen in dem übergeordneten Controller und/oder in den Energiespeichern – Steuerung von elektrischen Schaltelementen und/oder Schützen
B) Die Steuereinheiten 115, 125 können insbesondere folgende Aufgaben übernehmen: – Kommunikation zum übergeordneten Controller – Messung von Teilspannungen an oder innerhalb der einzelnen Energiespeicher – Strommessung – Berechnen von Werten für SOC und SOF – Angleichen z. b. der Ladung der verschiedenen Energiespeicherzellen 111, 121 – Messung der Temperatur des jeweiligen Energiespeichers und/oder einzelner Zellen des jeweiligen Energiespeichers – Steuerung einer Kühlung für den jeweiligen Energiespeicher (ggf. spezifisch für einzelne Zeller des Energiespeichers) – Personenschutzüberwachung mittels Interlock/Pilotline – Sicherheitsmanagement durch ggf. erforderliche Abschaltung von Hardwarekomponenten des jeweiligen Energiespeichers – Sicherheitsmanagement basierend auf der Erkennung des Status von Schützen wie beispielsweise die Schaltelemente 118a, 118b, 128a, 128b; ggf. Ansteuerung der Schütze bzw. der Schaltelemente 118a, 118b, 128a, 128b

Es wäre wünschenswert, möglichst viele Funktionen auf dem übergeordneten Controller 150 zu konzentrieren, um so möglichst einfache und somit kostengünstige Steuereinheit der einzelnen Energiespeicher realisieren zu können. Damit jedoch zu jedem Zeitpunkt die Sicherheit des Gesamtsystems gewährleistet ist, sollte jedes System eigensicher sein. Dies bedeutet, dass die Betriebsgrenzen von jedem Teilsystem überwacht werden sollen, damit ggf. erforderliche und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
2 zeigt ein Energiespeichersystem 200 mit zwei in Serie geschalteten Energiespeichern, einem ersten Energiespeicher 210 und einem zweiten Energiespeicher 220. Das komplette Energiespeichersystem 200 ist in ein Master System und ein Slave System unterteilt. Der erste Energiespeicher 210 ist dem Master System zugeordnet, der zweite Energiespeicher 220 ist dem Slave System zugeordnet. Die beiden Systeme bzw. die beiden Energiespeicher 210, 220 sind über eine Hochspannungsleitung 282 und eine Verbindungsleitung 215 miteinander gekoppelt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 215 sowohl für eine Kommunikation zwischen beiden Systemen als auch zum Übertragen einer (Niedervolt) Versorgungsspannung vorgesehen.
Der erste Energiespeicher 210 weist einen Master Controller 250 auf. Der Master Controller 250 dient sowohl zur Steuerung des ersten Energiespeichers 210 als auch zur Steuerung des zweiten Energiespeichers 220, wobei die Steuerung des zweiten Energiespeichers 220 indirekt über einen Slave Controller 225 erfolgt.
Jeder der beiden Energiespeicher 210, 220 weist eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen 211 bzw. 221 auf. Die einzelnen Energiespeicherzellen 211 bzw. 221 können von der jeweiligen Steuereinheit, d. h. dem Master Controller 250 oder dem Slave Controller 225, durch Messleitungen und/oder Steuerleitungen individuell kontaktiert werden. Diese Messleitungen und/oder Steuerleitungen sind in 2 durch teilweise gestrichelte Linien angedeutet. Das gleiche gilt für Schaltelemente 218a, 218b und 218c im Master System und für Schaltelemente 228a, 228b im Slave System. Durch eine Öffnung einzelner Schaltelemente können einzelne Komponenten des Energiespeichersystems beispielsweise in einem Fehlerfall oder bei der Gefahr des Überschreitens eines Höchststroms gezielt von dem restlichen Gesamtsystem abgetrennt werden.
Das Slave System wird vom Master System überwacht und gesteuert. Daher ist zwischen dem Master System und dem Slave Sys tem eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient diese Schnittstelle auch der Übertragung einer Niedervolt Versorgungsspannung zwischen beiden Teilsystemen 210 und 220.
Die Kommunikation und die Spannungsversorgung zwischen beiden Systemen erfolgt jeweils über Schnittstellen 216 und 226. Der Master Controller 250 ist über eine Kommunikationsleitung 216a und eine Spannungsversorgungsleitung 216b mit der Schnittstelle 216 verbunden. Der Slave Controller 225 ist über eine Kommunikationsleitung 226a und eine Spannungsversorgungsleitung 226b mit der Schnittstelle 216 verbunden. Die Kommunikationsleitungen 226a und 226b können zur Übertragung von Steuersignalen und/oder Messsignalen dienen. Die Spannungsversorgungsleitung 216b und 226b werden dazu verwendet, eine Niedervoltspannung von beispielsweise 12 V zu Übertragen, welche beispielsweise zum Betrieb des Master Controllers 250 und/oder zum Betrieb des Slave Controllers 225 erforderlich sein kann.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Master System ferner eine Sicherung 242 vorgesehen, die bei einem gefährlichen Betriebszustand ausgelöst werden und somit unter Umständen eine dauerhafte Beschädigung des Master Systems bzw. von einzelnen Komponenten des Master Systems verhindern kann. Ein gefährlicher Betriebszustand kann beispielsweise mittels einer Strommesseinrichtung 243b, welche ebenfalls des Master System zugeordnet ist, erkannt werden.
Ferner weist das Master System noch einen Vorladewiderstand 243a auf. Der Vorladewiderstand 243a kann durch eine geeignete Stellung der Schaltelemente 218b und 218c mit den Energiespeicherzellen 211 in Serie geschaltet sein.
Das Master System bzw. der erste Energiespeicher 210 weist ferner eine Fahrzeug-Schnittstelle 260 auf, über die das gesamte Energiespeichersystem 200 mit einem Fahrzeug-Bordnetz 295 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs verbunden werden kann. Diese Schnittstelle 260 ist über eine Kommunikationsleitung 296a und eine Spannungsversorgungsleitung 296b (ebenfalls für einen Niederspannungspegel von 12 V) mit dem Master Controller 250 gekoppelt.
Eine Energiebereitstellung von dem Energiespeichersystem 200 und eine Energieeinspeisung in das Energiespeichersystem 200 erfolgen über zwei Leistungsanschlüsse 280a und 280b.
Es wird darauf hingewiesen, dass es hinsichtlich der Anzahl an Slave Systemen, welche von dem Master System überwacht und/oder gesteuert werden, keine prinzipielle Obergrenze gibt. In der Praxis wird jedoch die maximale Anzahl an Slave Systemen durch den Master Controller 250 begrenzt.
Hinsichtlich der in Summe für das Management des gesamten Energiespeichersystems 200 zu lösenden Aufgaben und einer möglichen Aufgabenverteilung für den Master Controller 250 und den Slave Controller 225 wird auf die obigen Abschnitte verwiesen, in denen entsprechendes für den übergeordneten Controller 150 (entspricht dem Master Controller) und den beiden Steuereinheiten 115, 125 (entsprechen den Slave Controller).
Die in diesem Dokument beschriebenen Energiespeichersysteme 100 und 200 weisen eine Reihe von technischen Vorteilen auf, die nachfolgend kurz erläutert werden:
In Folge der möglichen Zerlegung des gesamten Energiespeichersystems in einzelne Teil-Energiespeicher entstehen Vorteile im Handling des Gesamtsystems bezüglich Volumen und Gewicht sowie bei den zu treffenden Maßnahmen zum Schutz von Personen vor elektrischem Schlag.
Des Weiteren ergeben sich neue Freiheitsgrade zur Integration in ein Zielfahrzeug bezüglich Bauräumen und optimaler Verteilung des Fahrzeuggewichts.
Ein Austausch von einzelnen Energiespeichern in dem Gesamtsystem kann auf einfache und sichere Weise durchgeführt werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf aktuell diskutierte Konzepte zum Batterieleasing oder dem Aufbau eines Netzes von Batterieaustauschstellen für Elektrofahrzeuge ein besonderer Vorteil. Ferner ergeben sich deutliche Kostenvorteile gerade bei leistungsstarken Energiespeichersystemen bezüglich einer im Fehlerfall erforderlichen Reparatur.
Unter Verwendung von lediglich einem Typ von Basis-Energiespeicher lassen sich, je nach Kombination, beliebige Klassen bezüglich Strom, Spannungslage und Energieinhalt für das gesamte Energiespeichersystem darstellen. Dazu kann im Prinzip eine beliebige Anzahl von Energiespeichern in geeigneter Weise miteinander verschaltet und von der zentralen Steuereinheit des Gesamtsystems bzw. von dem Master Controller des ersten Energiespeichers überwacht und gesteuert werden.

Claims

System zum Speichern von elektrischer Energie, das System (100, 200) aufweisend • einen ersten Energiespeicher (110, 210) mit einer ersten Steuereinheit (115, 250) zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des ersten Energiespeichers (110, 210), • einen zweiten Energiespeicher (120, 220) mit einer zweiten Steuereinheit (125, 225) zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands des zweiten Energiespeichers (120, 220), und • eine übergeordnete Steuereinheit (150, 250) zum Steuern des Betriebs und Überwachen des Zustands einer Gesamtheit von Energiespeichern (110, 210, 120, 220), welche den ersten Energiespeicher (110, 210) und den zweiten Energiespeicher (120, 220) umfasst.
System nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die übergeordnete Steuereinheit eine in Bezug auf die beiden Energiespeicher (110, 120) externe Steuereinheit (150) ist, welche mit der ersten Steuereinheit (115) und mit der zweiten Steuereinheit (125) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Steuereinheit und die übergeordnete Steuereinheit mittels einer Master-Steuereinheit (250) realisiert sind, welche dem ersten Energiespeicher (210) zugeordnet ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher (110, 210) und der zweite Energiespeicher (120, 220) parallel und/oder in Serie zueinander angeordnet sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher (110, 210) und/oder der zweite Energiespeicher (120, 220) – ein elektrochemischer Energiespeicher, – ein elektrostatischer Energiespeicher und/oder – eine Brennstoffzelle ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der beiden Energiespeicher (110, 120, 210, 220) ein Schaltelement (118a, 118b, 128a, 128b, 218a, 218b, 218c, 228a, 228b) zum Zuschalten und/oder zum Abschalten des einen der beiden Energiespeicher (110, 120, 210, 220) zu dem System (100, 200) aufweist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die übergeordnete Steuereinheit (150, 250) eingerichtet ist, eine von dem System (100, 200) bereitgestellte Spannung und/oder einen von dem System (100, 200) bereitgestellten Strom zu messen.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die übergeordnete Steuereinheit (150, 250) eingerichtet ist, eine Isolationsüberwachung zwischen verschiedenen Komponenten (110, 120, 190, 210, 220, 295) durchzuführen, welche unterschiedlichen Spannungsnetzen zugeordnet sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die übergeordnete Steuereinheit (150, 250) eingerichtet ist, einen Ladungszustand und/oder die Leistungsfähigkeit der Gesamtheit von Energiespeichern (110, 120, 210, 220) zu bestimmen.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die übergeordnete Steuereinheit (150, 250) eingerichtet ist, einen Ausgleich zwischen beiden Energiespeichern (110, 120, 210, 220) steuern.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die übergeordnete Steuereinheit (150) einen Spannungswandler (154) aufweist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die übergeordnete Steuereinheit (250) eine Schnittstelle (260) zu einem Kraftfahrzeug aufweist.
Kraftfahrzeug mit • einem System (100, 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Speichern von elektrischer Energie.
Kraftfahrzeug nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der erste Energiespeicher (110, 210) und der zweite Energiespeicher (120, 220) derart in dem Kraftfahrzeug verteilt sind, dass das Kraftfahrzeug eine zumindest annähernd gleichmäßige Gewichtsverteilung aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Systems (100,200) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das Verfahren aufweisend • Platzieren des ersten Energiespeichers (110, 210) an einer vorbestimmten ersten Stelle, • Platzieren des zweiten Energiespeichers (120, 220) an einer vorbestimmten zweiten Stelle, und danach • Verbinden des ersten Energiespeichers (110, 210) mit dem zweiten Energiespeicher (120, 220).