DE102009054823A1

DE102009054823A1 - Energieübertragungssystem für ein Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102009054823A1
Application number: DE102009054823A
Authority: DE
Inventors: Stefan 71717 Butzmann; Holger 70567 Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011082855A2; WO2011082855A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem (20) für ein Energiespeichersystem (10), insbesondere Batteriesystem, umfassend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (12, 14) mit jeweils wenigstens einer Speicherzelle (16, 18), und je einem ersten und einem zweiten Pol (38, 40), wobei der erste und der zweite Pol (38, 40) zum Anschließen wenigstens eines Gleichspannungswandlers (22, 24) des Energiespeichersystems (10) ausgebildet sind, wobei wenigstens zwei Speicherzellen (16, 18) ein unterschiedliches Verhältnis von Leistung (P) zu Energie (E) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem entsprechenden Energieübertragungssystem und ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeichersystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem für ein Energiespeichersystem, insbesondere ein Batteriesystem, mit einer Mehrzahl von Gleichspannungswandlermodulen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem entsprechenden Energieübertragungssystem und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeichersystem.
Stand der Technik
Ein Energieübertragungssystem für ein Energiespeichersystem ist z. B. aus Windkraftanlagen, Notstromsystemen, aber auch aus Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb bekannt. Bei derartigen Systemen ist ein Umsetzermodul mit mindestens einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Umsetzer) zwischen die als Batteriemodule mit wiederaufladbaren Batteriezellen ausgebildeten Energiespeichermodule des Energiespeichersystems einerseits und einem Wechselrichter andererseits zwischengeschaltet. Der Wechselrichter speist eine als Elektromotor oder Generator ausgebildete elektrische Maschine.
Es besteht ein wachsender Bedarf nach Energiespeichersystemen, welche in solchen stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen und Notstromsystemen oder aber in Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen. Alle diese Einsatzgebiete stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit des Energiespeichersystems. Der Grund hierfür ist, dass ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Energiespeichersystem zu einem Ausfall eines Gesamtsystems führen kann. So werden bei Windkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Rotorblätter verstellen und die Anlage so vor übermäßigen mechanischen Belastungen zu schützen, die die Windkraftanlage beschädigen oder sogar zerstören können. Im Falle des Ausfalls der Batterie(module) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges würde dieses fahruntüchtig werden. Ein Notstromsystem wiederum soll gerade den unterbrechungsfreien Betrieb – zum Beispiel in einem Krankenhaus – sicherstellen und daher selbst möglichst nicht ausfallen.
Um die für die jeweilige Anwendung geforderte Leistung (P) und Versorgungsspannung zur Verfügung stellen zu können, werden einzelne Speicherzellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Dabei wird z. B. eine Vielzahl gleicher Speicherzellen in Serie geschaltet, um die beispielsweise in einem Pkw (Personenkraftwagen) für den Antriebsmotor erforderliche Betriebsspannung zu erreichen. Grundsätzlich werden abhängig vom jeweiligen Hybrid- oder Elektrofahrzeug unterschiedliche Anforderungen an die Eigenschaften des jeweiligen Energiespeichersystems, wie beispielsweise an das Verhältnis von Leistung (P) zu Energie (E), nachfolgend P/E-Verhältnis, gestellt. Bei allen heute bekannten Energiespeichersystemen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge wird das P/E-Verhältnis direkt durch das P/E-Verhältnis der jeweils eingesetzten Speicherzellen bestimmt, wobei entweder für die jeweils unterschiedlichen Anforderungen der an das jeweils benötigte P/E-Verhältnis der Fahrzeuge die entsprechenden Batteriezellen entwickelt werden müssen oder in das jeweils eingesetzte Energiespeichersystem mehr Speicherzellen verbaut werden als erforderlich wäre, was eine massive Überdimensionierung des Energiespeichersystems mit sich bringt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei gleichzeitig geringer Flexibilität der elektrischen Betriebsdaten des Energiespeichersystems.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass eingangsseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen parallel und/oder in seriell geschaltet werden können, wobei die Energiespeichermodule jeweils eine Vielzahl von Speicherzellen aufweisen, wobei wenigstens zwei Speicherzellen ein unterschiedliches P/E-Verhältnis aufweisen. Erfindungsgemäß weist das Energieübertragungssystem eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils wenigstens einer Speicherzelle und je einem ersten und einem zweiten Pol auf, wobei der erste und der zweite Pol zum Anschließen wenigstens eines Gleichspannungswandlers des Energiespeichersystems ausgebildet sind, und wobei wenigstens zwei Speicherzellen ein unterschiedliches P/E-Verhältnis aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich verschiedene Energiespeichermodule aus unterschiedlichen Speicherzellen aufzubauen, so dass beispielsweise Energiespeichermodule mit Speicherzellen, die ein niedriges P/E-Verhältnis mit Energiespeichermodulen, die ein höheres P/E-Verhältnis aufweisen, kombiniert werden könnten. Je nach Leistungserfordernis, kann das Energiespeichersystem die unterschiedlichen Energiespeichermodule belasten. So ist denkbar, dass beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen mit höherem Leistungsbedarf hauptsächlich Energie aus Energiemodulen mit einem höheren P/E-Verhältnis entnommen wird, während die Energie bei konstanter Fahrt aus den Energiemodulen mit einem geringeren P/E-Verhältnis entnommen wird. Ferner ist dies umgekehrt auch bei Ladevorgängen möglich, so dass die Speicherzellen entsprechend ihres P/E-Verhältnis bei Bremsvorgängen, bzw. bei Bergabfahrten wieder geladen werden. Durch eine geeignete Kombination von Energiemodulen mit unterschiedlichen P/E-Verhältnis können für das Energiespeichersystem P/E-Werte realisiert werden, die zwischen den Grenzwerten des Energiemoduls mit kleinsten P/E-Verhältnis bzw. dem Energiemodul mit dem größten P/E-Verhältnis liegen, so dass Energiespeichersysteme aus der Kombination von Energiemodulen mit kleinem P/E-Verhältnis und Energiemodulen mit großem P/E-Verhältnis aufgebaut werden können, ohne dass dabei eine massive Überdimensionierung des gesamten Energiesystems hinsichtlich des verfügbaren Energieinhaltes oder der verfügbaren Maximalleistung auftritt und ohne dass für jedes individuelle Energiesystem erst einmal jeweils die optimale Speicherzelle entwickelt werden muss.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandler ausgangsseitig parallel und/oder in Serie geschaltet sind. Die ausgangsseitige Parallelschaltung der Gleichspannungswandlermodule erfolgt durch elektrisch leitende Verbindung der ersten Modul-Ausgänge untereinander und der zweiten Modul-Ausgänge untereinander.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Energiespeichermodule parallel und/oder in Serie geschaltet sind. Diese Variante erlaubt den Weiterbetrieb trotz des Ausfalls einer oder mehrerer Speicherzellen und einen den Austausch eines Energiespeichermoduls im laufenden Betrieb, ohne dass die Erzeugung der Gesamtspannung unterbrochen wird.
Unter einem elektrischen Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher zu verstehen, dem entweder elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie beziehungsweise ein Akkumulator.
Unter einem Gleichspannungswandler ist insbesondere ein bidirektionaler Gleichspannungswandler (DC/DC-Umsetzer) zu verstehen. Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Energieübertragers sind die ersten Eingänge oder die zweiten Eingänge jeweils eines Gleichspannungswandlers jedes Gleichspannungswandlermoduls mit Masse verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandler als Fly-Back-Konverter, als Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter oder Full-Bridge-Konverter sowie als Resonanzwandler ausgeführt sein können. Die vorgenannten Konverter sind bekannte Gleichspannungswandler.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Gleichspannungswandler ausgangsseitig über einen ersten und einen zweiten Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Übertragungsausgang der Energieübertragungseinrichtung lösbar zu verbinden sind. Auf diese Weise ist es möglich, dass in einer weiteren Ausführungsvariante, dem Energiespeichersystem über einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator zwischen den Übertragungsausgängen ein Wechselrichter elektrisch nachgeschaltet ist, so dass eine in Frequenz und Spannung veränderliche Wechselspannung erzeugt werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem vorstehend genannten Energieübertragungssystem. Es ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils mindestens einer Speicherzelle und einem ersten und einem zweiten Pol aufweist, wobei die Pole mit entsprechenden ersten und zweiten Eingängen eines der Gleichspannungswandler des Energieübertragungssystem lösbar elektrisch verbunden sind und wenigstens zwei Speicherzellen ein unterschiedliches P/E-Verhältnis aufweisen. Die Speicherzellen der Energiespeichermodule sind vorzugsweise Batteriezellen von Batteriemodulen, die Pole entsprechend Batteriepole.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem vorstehend genannten Energiespeichersystem. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem als Energiespeichersystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Antriebssystem weist mindestens eine als Elektromotor und/oder Generator ausgebildete elektrische Maschine auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines erstes Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems mit Energieübertragungssystem; und
2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems mit Energieübertragungssystem.
Die 1 zeigt ein Schaltbild eines als Batteriesystem ausgebildetes Energiespeichersystem 10 mit mehreren als wiederaufladbare Batteriemodule ausgebildeten elektrischen Energiespeichermodulen.
Unter einem elektrischen Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher zu verstehen, dem elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Modulare Baueinheiten des Energiespeichers sind die elektrischen Energiespeichermodule.
In 1 sind lediglich zwei von mehreren Energiespeichermodulen 12, 14 mit jeweils einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Speicherzelle 16, 18 dargestellt, wobei in realen Anwendungen die Zahl der Energiespeichermodule bzw. Batteriemodule deutlich höher liegen kann. Erfindungsgemäß weisen die jeweiligen Speicherzellen 16, 18 des Energiespeichermoduls 12 ein anderes P/E-Verhältnis auf als die jeweiligen Speicherzellen 16 des Energiespeichermoduls 14. Das Energiespeichersystem 10 weist weiterhin ein Energieübertragungssystem 20 auf, das seinerseits im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Gleichspannungswandler (DC/DC-Umsetzermodule) 22, 24 aufweist, wobei in realen Anwendungen die Zahl der Gleichspannungswandler (DC/DC-Umsetzermodule) deutlich höher liegen kann. Jeder der Gleichspannungswandler 22, 24 weist einen ersten Eingang 34 und einen zweiten Eingang 36 auf. Jeder der ersten Eingänge 34 mit einem zugeordneten ersten Pol 38 eines dem Gleichspannungswandlers 22, 24 zugeordneten Energiespeichermoduls 12, 14 und jeder zweite Eingang 36 eines der Gleichspannungswandlers 22, 24 mit einem zweiten Pol 40 eines zugeordneten Energiespeichermoduls der Energiespeichermodule 12, 14 ist lösbar elektrisch verbunden. Jeder der Gleichspannungswandler 22, 24 weist einen ersten Ausgang 42 und einen zweiten Ausgang 44 auf, wobei der jeweilige erste Ausgang 42 einem ersten Übertragungsausgang 46 und der jeweilige zweite Ausgang 44 einem zweiten Übertragungsausgang 48 des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls 22, 24 entspricht. Die Gleichspannungswandler 22, 24 sind durch Kurzschließen der jeweiligen ersten Übertragungsausgänge 46 untereinander und der zweiten Übertragungsausgänge 48 untereinander ausgangsseitig parallel geschaltet. An einem mit den ersten Ausgängen 42 elektrisch verbundenen ersten Ausgangskontakt (–) und an einen mit den zweiten Ausgängen 44 verbundenen zweiten Ausgangskontakt (+) ist ein nicht gezeigter Verbraucher, insbesondere ein Wechselrichter zur Speisung einer elektrischen Maschine anschließbar. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Energiespeichermodule 12, 14 mit einem ihrer Pole 38, 40 miteinander und mit Masse verbunden.
Die 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Energiespeichersystems 10 mit einem Energieübertragungssystem 20. Das in der 2 gezeigte Energiespeichersystem 10 entspricht im Wesentlichen dem Energiespeichersystem 10 der 1, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Das Energieübertragungssystem 20, bzw. das Energiespeichersystems 10 der 2 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls jeweils zwei Gleichspannungswandler (DC/DC-Umsetzermodulen) 22, 24 und zwei von mehreren Energiespeichermodulen 12, 14 mit jeweils einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Speicherzelle 16, 18 auf, wobei in realen Anwendungen sowohl die Zahl der Energiespeichermodule bzw. Batteriemodule als auch die Zahl der Gleichspannungswandler (DC/DC-Umsetzermodulen) deutlich höher liegen kann deutlich höher liegen kann. Erfindungsgemäß weisen auch hier die jeweiligen Speicherzellen 18 des Energiespeichermoduls 12 andere Eigenschaften bezüglich des Verhältnisses von Leistung (P) zu Energie (E) auf als die jeweiligen Speicherzellen 16 des Energiespeichermoduls 14. Die Gleichspannungswandler 22, 24 sind ausgangsseitig, also über ihre Ausgänge 42, 44, in Serie geschaltet und eingangsseitig jeweils mit einem zugeordneten Energiespeichermodul 12, 14 elektrisch verbunden. Der erste Übertragungsausgang 46 ist mit einem ersten Ausgangskontakt (–) elektrisch verbunden. Der zweite Übertragungsausgang 48 ist mit einem zweiten Ausgangskontakt (+) elektrisch verbunden.
Eine derartige Anordnung besitzt den Vorteil, dass primärseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 12, 14 mit jeweils unterschiedlichen Speicherzellen 16, 18 parallel und/oder seriell geschaltet werden können, so dass während des Betriebes das Energiespeichersystem 10 die unterschiedlichen Energiespeichermodulen 12, 14, je nachdem, ob gerade eine hohe oder eher eine geringe Spitzenleistungsanforderung, dafür aber eine zeitlich länger andauernde Leistungsanforderung vorliegt, unterschiedliche belasten kann. Das Verhältnis von Leistung (P) zu Energie (E) des Energiespeichersystems 10 wird somit nicht direkt durch das P/E-Verhältnis der jeweils eingesetzten Speicherzellen 16, 18 bestimmt. Die Ausgangsspannung ist somit im Wesentlichen unabhängig von der Zahl der primärseitig angeschlossenen Speicherzellen 16, 18.
Die Gleichspannungswandler 22, 24 sind bevorzugt als Fly-Back-Konverter, Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter, Full-Bridge-Konverter und/oder als Resonanzwandler ausgeführt.

Claims

Energieübertragungssystem (20) für ein Energiespeichersystem (10), insbesondere Batteriesystem, umfassend eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (12, 14) mit jeweils wenigstens einer Speicherzelle (16, 18), und je einem ersten und einem zweiten Pol (38, 40), wobei der erste und der zweite Pol (38, 40) zum Anschließen wenigstens eines Gleichspannungswandlers (22, 24) des Energiespeichersystems (10) ausgebildet sind, wobei wenigstens zwei Speicherzellen (16, 18) ein unterschiedliches Verhältnis von Leistung (P) zu Energie (E) aufweisen.
Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (22, 24) ausgangsseitig parallel und/oder in Serie geschaltet sind.
Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodulen (12, 14) parallel und/oder in Serie geschaltet sind.
Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (22, 24) ausgangsseitig über einen ersten und einen zweiten Ausgang (42, 44) mit einem ersten und einem zweiten Übertragungsausgang (46, 48) der Energieübertragungseinrichtung (20) lösbar verbunden sind.
Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Energiespeichersystem (10) einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator zwischen den Übertragungsausgängen (46, 48) elektrisch nachgeschaltet ist.
Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zwischenkreis ein Wechselrichter zur Versorgung einer elektrischen Maschine elektrisch nachgeschaltet ist.
Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler als Fly-Back-Konverter, Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter, Full-Bridge-Konverter und/oder als Resonanzwandler ausgeführt sind.
Energiespeichersystem mit einem Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen (12, 14) mit jeweils mindestens einer Speicherzelle (16, 18) und einem ersten und einem zweiten Pol (38, 40), wobei die Pole (38, 40) mit entsprechenden ersten und zweiten Eingängen (34, 36) eines der Gleichspannungswandler (22, 24) des Energieübertragungssystems (20) lösbar elektrisch verbunden sind und wenigstens zwei Speicherzellen (16, 18) ein unterschiedliches Verhältnis von Leistung (P) zu Energie (E) aufweisen.
Kraftfahrzeug mit einem Energiespeichersystem (10) nach Anspruch 8.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (10) als Energiespeichersystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.