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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeuges, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Komponenten und Datenübertragungsleitungen zur Übertragung von Datensignalen von und/oder zu wenigstens einer der Komponenten.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein so genanntes Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug handeln, welches ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden kann.
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Hybridfahrzeuge weisen typischerweise eine Brennkraftmaschine (z. B. Otto- oder Dieselmotor), wenigstens eine elektrische Maschine (z. B. Drehstrommotor) und einen oder mehrere elektrische Energiespeicher (z. B. Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Nickel/Zink-Zellen oder Lithium-Ionen-Zellen etc.) auf.
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Demgegenüber besitzen reine Elektrofahrzeuge für den Antrieb lediglich eine oder mehrere elektrische Maschinen. Eine spezielle Art von Elektrofahrzeug besitzt einen Tank für einen flüssigen oder gasförmigen Energieträger (z. B. Wasserstoff), eine daraus versorgte Brennstoffzellenanordnung zur Energiewandlung und einen elektrischen Energiespeicher.
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Die elektrische Maschine eines Hybridfahrzeuges ist zumeist als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Brennkraftmaschine vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Verwendung als elektrischer Antrieb des Fahrzeuges kann ein zusätzliches Drehmoment zum Vortrieb des Fahrzeuges von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Bei Verwendung als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und die elektrische Bordnetzversorgung.
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Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen. Die Steuerung des elektrischen Energieflusses erfolgt in der Regel mittel einer speziellen Elektronik. Diese Elektronik steuert insbesondere, ob und in welcher Menge dem elektrischen Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll. Durch Energieentnahme aus dem Energiespeicher bzw. aus der Brennstoffzelle kann eine Antriebsleistung für das Fahrzeug dargestellt und/oder das elektrische Fahrzeugbordnetz versorgt werden. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers, etwa im Rahmen der Rekuperation von Bremsenergie beim regenerativen Bremsen. Bei einem Hybridfahrzeug ist es auch möglich, für eine Aufladung des elektrochemischen Energiespeichers benötigte Energie durch die Brennkraftmaschine bereitzustellen.
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Bei bekannten elektrischen Energiespeichersystemen eines solchen Fahrzeuges wird typischerweise ein elektronischer Kommunikationsbus (z. B. CAN-Bus) für eine Kommunikation bzw. Datenübertragung zwischen den einzelnen elektrischen Komponenten des Energiespeichersystems genutzt. Alternativ oder zusätzlich werden auch einzelne elektrische Signal- bzw. Datenleitungen verwendet. Damit können beispielsweise als Signal codierte Messwerte für die Einzelspannungen und/oder einzelnen Temperaturen einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen des elektrochemischen Energiespeichers und/oder von Doppelschichtkondensatoren (DLC) des elektrostatischen Energiespeichers zu einer Steuereinrichtung (z. B. Hybrid-Controller oder Batteriemodul-Controller) übertragen werden.
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Insbesondere die geforderte hohe Messgenauigkeit bei der Erfassung von Messgrößen im Bereich des Energiespeichersystems erfordert eine störfeste Übertragung der Datensignale über das Bussystem bzw. die hierfür vorgesehenen elektrischen Leitungen.
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Da jedoch im Bereich des Energiespeichersystems beträchtliche Ströme fließen, die betriebsmäßig z. B. 100 A oder mehr erreichen können, und auch dementsprechend große Stromvariationen stattfinden, sind die elektrischen Leitungen bzw. ist der elektronische Kommunikationsbus und dessen Schnittstellen zu den jeweiligen Komponenten hin entsprechend aufwendig auszuführen, insbesondere um eine Beeinflussung der Datensignale (z. B. Messwerte) durch elektromagnetische Störungen zu vermeiden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Energiespeichersystem der eingangs genannten Art hinsichtlich der Betriebssicherheit zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Datenübertragungseinrichtungen wenigstens eine Übertragungsstrecke für elektromagnetische Strahlung zur Datensignalübertragung umfassen.
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Eine solche Übertragungsstrecke kann z. B. insbesondere als Lichtwellenleiter zur optischen Datensignalübertragung ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich können als Übertragungsstrecke auch z. B. Lichtschranken, Optokoppler oder dergleichen, jeweils mit einer entsprechenden Signalquelle und einem Empfänger zur Wandlung elektrisch/optisch eingesetzt werden.
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Der Begriff ”Lichtwellenleiter” bezeichnet im engeren Sinne eine Anordnung eines oder mehrerer langgestreckter Medien, welche zur Ausbreitung (und somit Übertragung) von elektromagnetischen Wellen geeignet sind. Somit fällt unter diesen Begriff z. B. insbesondere eine Anordnung von einer oder mehreren Glasfasern, Kunststofffasern etc., welche im verwendeten elektromagnetischen Wellenlängenbereich hinreichend transparent sind, und bei welchen z. B. eine gewisse Wellenführung (z. B. durch Totalreflexion) vorliegen kann.
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Bei einer Ausbildung der zur Übertragung elektromagnetischer Strahlung vorgesehenen Übertragungsstrecke als Lichtschranke, Optokoppler oder dergleichen ist ein solches Medium entbehrlich bzw. kann das Medium von der Luft zwischen den betreffenden Kommunikationspartnern bzw. zwischen Sender und Empfänger gebildet sein.
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Die Begriffe ”Lichtwellenleiter” und ”Lichtleitertechnik” sollen der Einfachheit der Beschreibung halber im folgenden Text nicht nur in dem obigen engeren Sinne, sondern auch in einem weiteren Sinne als Synonym für eine optische Übertragungsstrecke bzw. eine optische Signalübertragungstechnik verstanden werden.
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Durch die Nutzung der Lichtleitertechnik ist es möglich, eine Unempfindlichkeit der Datenübertragung gegenüber elektromagnetischen Störungen bei der Signalübertragung im Energiespeichersystem zu erreichen, da die Signalübertragung elektromagnetisch (z. B. optisch) und nicht elektrisch erfolgt. Daher stellt diese Form der Datensignalübertragung einen wesentlich sichereren Weg gegenüber einem konventionellen elektronischen Bussystem dar. Insbesondere stellen durch DC/DC- und/oder DC/AC-Wandler des elektrischen Energiespeicher- und Antriebssystems des Fahrzeuges verursachte elektromagnetische Störungen kein Problem für die optische Datenübertragung dar.
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Das elektrische Energiespeichersystem kann insbesondere für ein reines Elektrofahrzeug (EV) oder ein Hybridfahrzeug (HEV), einschließlich eines so genannten Plug-in-Hybridfahrzeuges (PHEV) eingesetzt werden.
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Wenigstens eine der elektrischen Komponenten des Energiespeichersystems kann die Speicherkomponente für elektrisch Energie darstellen, etwa einen elektrochemischen oder elektrostatischen Energiespeicher einer der weiter oben bereits genannten Arten.
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Eine derartige Batterie kann mit einer Nennspannung (in beladenem Zustand) von mehr als 100 V, insbesondere mehr als 300 V und/oder mit einer betriebsmäßigen Strombelastbarkeit für den Fahrzeugantrieb von mehr als 100 A (und z. B. evtl. kurzzeitigen Spitzenströmen von mehr als 500 A) ausgelegt sein.
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Bei einer derart hohen Batteriespannung ergeben sich auch hohe Anforderungen an die Sicherheit, sei es im Hinblick auf die Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen oder die Lebensgefahr beispielsweise für Werkstattpersonal, falls unter Spannung stehende elektrische Leitungskomponenten berührt werden können. In dieser Hinsicht bietet die Erfindung den besonderen Vorteil, dass durch die potentialfreie optische Signalübertragung mittels Lichtwellenleiter die Hochspannungssicherheit erhöht und die Gefahr beim Umgang mit dem Energiespeichersystem für den Menschen reduziert werden kann (z. B. bei einer Untersuchung und einem Öffnen von defekten Komponenten des Energiespeichersystems).
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Jeder der gemäß der Erfindung eingesetzten Lichtwellenleiter kann z. B. über einen Steckverbinder mit der betreffenden Komponente verbunden sein. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in dieser Hinsicht in der geringeren Empfindlichkeit derartiger Steckverbindungen gegenüber Feuchtigkeit bzw. Kondenswasser. In gängigen elektrischen Batterien bzw. Batteriemodulen tritt insbesondere dann oftmals Kondenswasser auf, wenn die enthaltenen Batteriezellen (z. B. Lithium-Ionen-Zellen oder dergleichen) bedarfsweise aktiv gekühlt werden. Kondenswasser beeinträchtigt jedoch nicht die optische Signalübertragungsqualität im Bereich eines Steckverbinders des Lichtwellenleiters. Bei herkömmlichen elektrischen Steckverbindern mussten sowohl die einzelnen Adern als auch der gesamte Stecker entsprechend geschützt werden. Außerdem kann es bei herkömmlichen elektrischen Steckverbindern häufig zu einer Korrosion von metallischen Leitungsteilen kommen.
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Demgegenüber ist bei einem gemäß der Erfindung verwendeten LWL-Steckverbinder der mechanische Kontakt zwischen dem LWL bzw. einzelnen LWL-Adern in einem Steckverbinderteil (z. B. Stecker) und korrespondierenden Einrichtungen im anderen Steckverbinderteil (z. B. Buchse) keine für die einwandfreie Datenübertragung ”kritische Schwachstelle”. Außerdem können die LWL-Steckverbinder wesentlich kompakter als die bislang verwendeten elektrischen Steckverbinder ausfallen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die optische Datensignalübertragung seriell (d. h. über eine einzelne LWL-Ader für die Übertragung der Daten in eine Richtung) erfolgt, und dadurch kann nennenswert Bauraum im Energiespeichersystem gespart werden.
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Ein zusätzliches Problem von herkömmlichen elektrischen Steckern mit einfacher Steckkontaktierung war die Abnutzung durch mechanische Belastung wie insbesondere eine Vibration während des Fahrzeugbetriebes. Dadurch wurde oftmals eine Schutzschicht der elektrischen Kontakte über die Lebenszeit abgerieben, und in Verbindung mit Kondenswasser konnte eine Korrosion entstehen. Dies konnte zur Beeinflussung bzw. Verfälschung der übertragenen Datensignale bis hin zum Abriss der Kommunikation führen. Bei der erfindungsgemäß z. B. optischen Signalübertragung über LWL fehlt jedoch der Übergang von Metall zu Metall. LWL-Komponenten wie Kabel, Stecker, Buchsen etc. können aus Kunststoff oder Glas (bevorzugt für LWL mit hoher Kommunikationsgeschwindigkeit) bestehen, wodurch eine Korrosion ausgeschlossen und die Kommunikations- bzw. die Datenverfälschung deutlich reduziert werden kann.
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Neben der bereits erwähnten Batterie bzw. eines Batteriemoduls enthaltend z. B. eine aktive Temperierungseinrichtung (Kühlung und/oder Heizung) können die elektrischen Komponenten des elektrischen Energiespeichersystems auch z. B. wenigstens eine Stromflusssteuerkomponente umfassen. Bei einer solchen Stromflusssteuerkomponente kann es sich insbesondere um ein Schaltelement wie z. B. ein Relais oder einen Transistor handeln. Eine solche Stromflusssteuerkomponente kann im Betrieb des Energiespeichersystems beispielsweise einen Stromfluss von oder zu der Batterie steuern und kann das entsprechende Steuersignal über einen oder mehrere LWL erhalten (z. B. von einem Hybrid-Controller oder Batteriemodul-Controller).
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Des Weiteren kann wenigstens eine der elektrischen Komponenten des elektrischen Energiespeichersystems eine Sensorkomponente (oder allgemein eine ”Messgrößenerfassungskomponente”) darstellen. Damit kann eine Messgröße (z. B. Spannung, Strom, Temperatur, Feuchtigkeit etc.) erfasst und über wenigstens einen LWL als optisches Datensignal übertragen werden.
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Ferner kann wenigstens eine der Komponenten des Energiespeichersystems eine Steuerkomponente zur Steuerung wenigstens einer anderen der Komponenten darstellen. Eine solche Steuerkomponente kann z. B. von dem bereits erwähnten Hybrid-Controller bzw. Batteriemodul-Controller gebildet sein. Eine derartige Steuereinrichtung kann sowohl optische Eingänge als auch optische Ausgänge für entsprechende Datensignalübertragungen aufweisen.
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Innerhalb des elektrischen Energiespeichersystems können auch verschiedene Komponenten der vorstehend genannten Komponentenarten baulich zusammengefasst sein. Beispielsweise kann ein zur Energiespeicherung vorgesehenes Batteriemodul sowohl den eigentlichen Energiespeicher (z. B. Batteriezellenanordnung) als auch Sensoren wie z. B. Spannungs- und Temperatursensoren für die einzelnen Batteriezellen aufweisen.
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Die erfindungsgemäße elektromagnetische bzw. optische Datensignalübertragung, beispielsweise mittels einer jeweiligen Datenübertragungsleitung, kann unidirektional oder bidirektional erfolgen.
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Die Daten können hierbei entweder seriell (nur eine LWL-Ader pro Richtung) oder parallel (mehrere LWL-Adern pro Richtung) übertragen werden.
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Insbesondere bei Energiespeichern mit hoher Anzahl von elektrochemischen bzw. elektrostatischen Energiespeichern herkömmlicher Art nahm der elektrische Kabelbaum zur Messung von Betriebsparametern wie z. B. einzelnen Spannungen und Temperaturen erhebliche Ausmaße an. Damit verbunden war ein nicht zu vernachlässigendes Gewicht. Demgegenüber kann der erfindungsgemäße Einsatz von LWL-Technik, etwa mit Kunststofffasern oder Glasfasern zu einer merklichen Gewichtseinsparung führen, insbesondere bei serieller Datensignalübertragung.
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Herkömmliche elektronische Bussysteme, die eine gewisse Länge überschritten und dennoch Daten mit einer hohen Geschwindigkeit übertragen sollten, verwendeten oftmals die so genannte LVDS(”low voltage differential signalling”)-Technik, was jedoch die nötige Kabelanzahl verdoppelte. Der erfindungsgemäße Einsatz von LWL-Technik macht die aufwendige Art der Übertragung insbesondere bei langen Signalwegen in diesem Einsatzgebiet obsolet.
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In einer Ausführungsform umfassen die Datenübertragungsleitungen wenigstens einen optischen Ringbus mit wenigstens einem Lichtwellenleiter, welcher mehrere der Komponenten des Energiespeichersystems miteinander verbindet. Damit können Datensignale über einen solchen Ringbus ohne Qualitätsverlust und in ausreichend hoher Geschwindigkeit und mit einer sehr hohen elektromagnetischen Verträglichkeit zwischen den betreffenden Komponenten des Energiespeichersystems (und/oder externen Kommunikationspartnern) ausgetauscht werden.
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Für die konkrete Gestaltung des oder der im Rahmen der Erfindung eingesetzten LWL gibt es vielfältige Möglichkeiten, bei denen vorteilhaft auch auf an sich bekannte Maßnahmen aus dem Bereich der LWL-Technik zurückgegriffen werden kann.
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Ein LWL kann beispielsweise eine oder mehrere Polymerfasern enthalten. Da derartige Materialien in der Regel nur bis zu einer Temperatur von etwa 85°C beständig sind, kommt deren Verlegung im Motorraum des betreffenden Fahrzeuges jedoch nur bedingt in Betracht. Problematisch ist bei Kunststoff-Lichtwellenleitern oftmals auch der eingeschränkte Biegeradius.
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In einer daher bevorzugten Ausführung ist wenigstens einer der LWL als Glasfaser-LWL-Kabel ausgebildet. Ein weiterer Vorteil von Glasfasern im Vergleich zu Kunststofffasern besteht darin, dass damit in der Regel höhere Datenübertragungsraten möglich sind.
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Insbesondere bei betriebsmäßig vorgesehenen Datenübertragungsraten von mehr als 0,5 Gigabit pro Sekunde ist für den betreffenden LWL als Lichtquelle eine Laserdiode bzw. Laserdiodenanordnung (für mehradrige LWL) bevorzugt.
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Auch die Verwendung von ”board-to-board”-Steckverbindern mit LWL-Technik kann im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, etwa zur Herstellung einer Verbindung zwischen verschiedenen elektrischen Schaltungsträgern bzw. Platinen des Energiespeichersystems.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens einer der Lichtwellenleiter mit wenigstens einem elektrischen Leiter zur elektrischen Energieübertragung und/oder elektrischen Datensignalübertragung kombiniert ist.
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Mittels eines solchen ”kombinierten Lichtwellenleiters” kann somit vorteilhaft auch eine elektrische Leistung übertragen werden bzw. können Energiespeicherkomponenten versorgt werden.
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Eine mögliche Realisierung ist der Einsatz eines leitenden Metalls (z. B. Aluminium, Kupfer, Silber, Gold etc.) oder Metalllegierung in Form einer oder mehrerer elektrischer Leitungen, welche den eigentlichen LWL umgeben oder diesem benachbart verlaufen. Auch kann z. B. ein elektrischer Leiter (oder eine elektrische Leitungsanordnung aus mehreren einzelnen Leitern) zur Energieversorgung mit dem eigentlichen LWL eine oder mehrere optische Fasern) umgeben, z. B. umflochten sein. Des Weiteren kann ein elektrischer Leiter z. B. auf dem LWL bzw. dessen Faser(n) aufgedampft sein. Bei allen genannten Ausführungsvarianten kann vorteilhaft eine zusätzliche Schutzhülle bzw. ein Verguss (z. B. aus Kunststoff) vorgesehen sein. Dadurch wird das Metall bzw. die Metalllegierung zur elektrischen Spannungs- bzw. Leistungsübertragung (z. B. Versorgung) isoliert und ausreichend gegen Korrosion geschützt. Durch die Kombination von LWL und elektrischem Leiter kann eine getrennte Energie- und Datensignalübertragung erfolgen. Die Datensignale können durch den Einsatz der LWL-Technik ohne die eingangs erwähnten Probleme der herkömmlichen, elektrischen Signalübertragungstechnik bzw. Kontaktierung übertragen werden.
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Aufgrund dieser Technik ist es außerdem möglich, Platz und Gewicht zu sparen.
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Eine weitere Möglichkeit, das Problem der gleichzeitigen Energieübertragung neben der Signalübertragung im Energiespeichersystem über LWL zu lösen, ist der Einsatz von Zinn(IV)oxid. Aus Zinn(IV)oxid können ohne weiteres optische Lichtwellenleiter produziert werden, wobei zusätzlich die Übertragung von elektrischer Leistung ermöglicht ist, insbesondere bei geeigneter Dotierung z. B. mit Indium. Ein Lichtwellenleiter, der in dieser Weise gleichzeitig einen elektrischen Leiter darstellt, kann somit zur Energie- und Signalübertragung genutzt werden, ohne dass z. B. eine Korrosion ein Problem für die optische Signalübertragung darstellt. Eine Variante einer solchen ”Kombinationsleitung” besteht in der Verwendung einer leitfähigen Beschichtung aus dotiertem Zinnoxid, z. B. Indium-Zinnoxid, beispielsweise in Form von Nanopartikeln, auf einem flexiblen optisch transparenten Kabel zur Weiterleitung der Information des Lichts und der elektrischen Energie durch die Beschichtung.
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Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung eine störfeste Datensignalübertragung, und gegebenenfalls auch Übertragung von elektrischer Leistung in elektrischen Energiespeichersystemen eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeuges. Hierbei können lediglich optische LWL und/oder Kombinationsleitungen (elektrisch und optisch) eingesetzt werden. Die Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem Hybridfahrzeug, einschließlich Plug-in-Hybridfahrzeug oder einem reinen Elektrofahrzeug interessant. Durch die Anwendung der LWL-Technik bzw. die Verwendung von LWL-Steckverbindern können deutlich zuverlässigere, leichtere Energiespeichersysteme gebaut werden, wobei keinerlei Beeinflussung durch elektromagnetische Wellen entsteht und eine nachteilige Korrosion im Bereich von Datenübertragungsverbindungen verhindert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 ein elektrochemisches/elektrostatisches Energiespeichersystem eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeuges,
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2 eine Prinzipdarstellung einer seriellen optischen Datenübertragung,
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3 eine Prinzipdarstellung einer parallelen optischen Datenübertragung,
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4 einen Lichtwellenleiter-Steckverbinder für bidirektionale Datenübertragung,
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5 einen Lichtwellenleiter-Steckverbinder für unidirektionale Datenübertragung,
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6 eine Querschnittsansicht einer Kombination aus einem Lichtwellenleiter und mehreren elektrischen Leitern,
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7 eine Querschnittsansicht einer Kombination aus mehreren Lichtwellenleitern und einem elektrischen Leiter, und
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8 eine Querschnittsansicht einer Kombination eines Lichtwellenleiters und eines elektrischen Leiters.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines elektrochemischen/elektrostatischen Energiespeichersystems 10 eines mit einem Elektromotor 12 ausgestatteten Elektrofahrzeuges.
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Das Energiespeichersystem 10 umfasst eine Vielzahl von nachfolgend im Einzelnen beschriebenen elektrischen Komponenten, wobei diese Beschreibung lediglich beispielhaft zu verstehen ist und die konkrete Anzahl, Art und Zusammenwirkung dieser Komponenten in der Praxis dem jeweiligen Anwendungsfall, abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel, modifiziert sein kann.
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Eine essentielle Komponente des dargestellten Energiespeichersystems 10 ist ein Batteriemodul und/oder ein Modul aus Doppelschichtkondensatoren (DLC) 14 mit einer Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen und/oder Doppelschichtkondensatoren 16, z. B. mehr als 100 seriell verschalteten Lithium-Ionen-Zellen oder dergleichen.
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Des Weiteren enthält das Batteriemodul 14 eine Überwachungseinrichtung 18 zur Überwachung des Zustands und der Funktionsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen 16 (z. B. Erfassung von Zellenspannungen, Zellentemperaturen, Batterieparametern wie ”SOC”, ”SOH”, ”SOF” etc.), und gegebenenfalls zum Bewirken von Maßnahmen an Einzelnen der Batteriezellen 16 (z. B. so genannte Batteriezellen/Doppelschichtkondensatoren (DLC)-Angleichung/Balancing etc.).
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Schließlich ist mit dem Batteriemodul 14 noch ein Temperatursensor 20 zur Messung der Batterietemperatur baulich zusammengefasst.
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Die Komponenten ”Überwachungseinrichtung 18” und ”Temperatursensor 20” bilden somit gewissermaßen Sub-Komponenten der größeren Komponente ”Batteriemodul/Doppelschichtkondensatorenmodul 14” des Energiespeichersystems 10.
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Das Batteriemodul/Doppelschichtkondensatorenmodul 14, genauer gesagt dessen Überwachungseinrichtung 18 und dessen Temperatursensor 20, steht über Leitungen 22 bzw. 24 in Datenübertragungsverbindung mit einer Batteriemodul-Steuereinheit (”Modul-Controller”) 26.
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Diese Steuereinheit 26 überwacht und steuert die Funktionen anderer Komponenten des Systems 10 und wird über Versorgungsleitungen 28-1 und 28-2 mit Betriebsspannung (z. B. 14 V aus einem Niedervolt-Bordnetz) versorgt.
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Über die Leitung 22 können Datensignale von der Überwachungseinrichtung 18, z. B. betreffend einzelne Zellenspannungen und/oder DLC-Spannungen und/oder Zellentemperaturen und/oder DLC-Temperaturen etc. zur Steuereinheit 26 übertragen werden. Über die Leitung 24 kann ein für die Batterietemperatur und/oder DLC-Temperatur repräsentatives Datensignal zur Steuereinheit 26 übertragen werden. Abhängig von der gemessenen Batterietemperatur und/oder DLC-Temperatur kann von der Steuereinheit 26 eine aktive Kühlung des Energiespeichersystems 10 (und somit insbesondere der darin enthaltenen Batterie) initiiert werden. In 1 ist dies durch ein Kühlmittelzuflussventil 29 symbolisiert, welches über eine Leitung 31 angesteuert wird.
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Die Steuereinheit 26, z. B. enthaltend eine programmgesteuerte Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller) steuert des Weiteren über Leitungen 30 und 32 steuerbare Schaltelemente 34 und 36, welche im Verlauf von Batterieanschlussleitungen 38 bzw. 40 (z. B. in einem ”Hauptschütz”) angeordnet sind, um das Batteriemodul 14 wahlweise mit einem Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeuges zu verbinden oder davon zu trennen.
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Eine solche Trennung kann z. B. aus Sicherheitsgründen durch eine so genannte Hochspannungsverriegelungs- oder HVIL(”high voltage interlock loop”)-Überwachungseinrichtung
24 initiiert werden, welche hierfür über eine Leitung
44 in Kommunikationsverbindung mit der Steuereinheit
26 steht. Hinsichtlich der Funktionsweise der Überwachungseinrichtung
42 sei lediglich beispielhaft auf die
DE 10 2008 021 542 A1 verwiesen.
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Ferner ist als eine weitere elektrische Komponente des Energiespeichersystems 10 eine Strommesseinrichtung 46 zur Messung des in das Batteriemodul 14 oder aus dem Batteriemodul 14 fließenden Stromes im Verlauf der Batterieanschlussleitung 40 angeordnet und über eine Leitung 48 mit der Steuereinheit 26 verbunden. Über die Leitung 48 kann somit ein den sensorisch erfassten Stromwert repräsentierendes Datensignal übertragen werden.
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Im Verlauf der Batterieanschlussleitungen 38 und 40 ist ferner eine so genannte Isolationsfehler-Erfassungseinrichtung 50 angeordnet, welche über eine Leitung 51 mit der Steuereinheit 26 verbunden ist.
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Um eine Kommunikation der Batteriemodul-Steuereinheit 26 mit externen Einrichtungen der Fahrzeugelektronik, beispielsweise anderen Steuereinheiten zu ermöglichen, ist diese Steuereinheit 26 ferner an einen elektronischen Kommunikationsbus (hier: CAN-Bus) 52 angeschlossen. Der Anschluss ist ausgeführt über eine CAN-Leitung 54. Alternativ oder zusätzlich könnte der CAN-Bus 52 auch zu anderen Komponenten des Energiespeichersystems 10 geführt sein.
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In 1 gestrichelt eingezeichnet sind eine Reihe von Steckverbindungen, welche das Energiespeichersystem 10 mit der ”Außenwelt” verbinden.
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Der CAN-Bus 52 ist außerdem mit einem DC/AC-Wechselrichter 60 verbunden, um dessen Betrieb zu steuern und zu überwachen. Mittels des Wechselrichters 60 kann als Gleichstrom aus dem Batteriemodul 14 entnommene elektrische Leistung im dargestellten Beispiel in eine mehrphasige Wechselstromleistung zur Ansteuerung des hier z. B. als dreiphasige elektrische Maschine ausgebildeten Elektromotors 12 gewandelt werden. Falls bei dem Fahrzeug ein regeneratives Bremsen (Rekuperation von Bremsenergie) vorgesehen ist, so kann durch Verwendung des Elektromotors 12 als elektrischer Generator und entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 60 auch eine Stromerzeugung und Rückübertragung in das Batteriemodul 14 erfolgen.
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Im Betrieb des Energiespeichersystems 10 können abhängig von der konkreten Betriebssituation beträchtliche elektrische Ströme (z. B. in der Größenordnung von einigen 100 A) und dementsprechend auch beträchtliche Stromänderungen auftreten. Insbesondere zur Vermeidung einer damit einhergehenden Beeinträchtigung der diversen vorstehend bereits erläuterten Datensignalübertragungen (”EMV-Problematik”) besteht eine Besonderheit des Energiespeichersystems 10 darin, dass die aus den einzelnen Datensignalleitungen gebildeten Datenübertragungseinrichtungen wenigstens einen Lichtwellenleiter (LWL) zur optischen Datensignalübertragung umfassen.
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Bevorzugt sind mehrere der zur Übertragung von Datensignalen von und/oder zu den Komponenten des Systems 10 vorgesehene Leitungen als LWL bzw. in LWL-Technik (mit entsprechenden elektrooptischen Schnittstellen an den LWL-Enden) implementiert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind z. B. die Leitungen 22, 24, 30, 31, 32, 44, 48 und 51 als LWL (jeweils enthaltend eine oder mehrere optische Fasern) ausgebildet.
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Ganz allgemein ist es bevorzugt, wenn zumindest diejenigen der im System 10 enthaltenen Leitungen als LWL ausgebildet sind, über welche die Resultate einer Messgrößenerfassung (Sensorwerte) und/oder mehr oder weniger ”präzise” Ansteuersignale für eine ”Aktorkomponente” übertragen werden. Für das dargestellte Beispiel bedeutet dies z. B., dass im Batteriemodul 14 erfasste Messgrößen bevorzugt über die als LWL ausgebildeten Leitungen 22 und 24 zur Batteriemodul-Steuereinheit 26 übertragen werden. Dasselbe gilt z. B. für die Datensignalübertragung von der Strommesseinrichtung 46 zur Batteriemodul-Steuereinheit 26.
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Abgesehen von der hohen Signalübertragungsqualität durch die optische Datensignalübertragung wird durch die Verwendung von Licht als Signalträger außerdem eine vorteilhafte galvanische Trennung zwischen den jeweiligen Kommunikationspartnern erreicht.
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Der jeweilige Datenaustausch kann je nach konkretem Erfordernis unidirektional oder bidirektional über den Lichtwellenleiter erfolgen. Die Daten können dabei entweder seriell oder parallel übertragen werden. Diese verschiedenen Möglichkeiten seien nachfolgend mit Bezug auf die 2 und 3 näher erläutert.
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2 veranschaulicht das Prinzip einer seriellen Datenübertragung unter Verwendung eines Lichtwellenleiters 70 bestehend aus einer einzigen optischen Faser zur optischen Signalübertragung in einer Richtung bzw. bestehend aus zwei solchen optischen Fasern im Falle einer bidirektionalen Signalübertragung.
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Ausgehend von einem ersten Kommunikationspartner 72-1 kann z. B. eine parallele elektrische Signalübertragung 74-1 zu einem parallel-seriell-Wandler 76-1 erfolgen. Das derart gewandelte Signal kann sodann mittels elektrischer Signalübertragung 78-1 einem elektrooptischen Wandler 80-1 zugeführt werden, welcher daraus das auf den LWL 70 auszugebende optische Signal generiert. Nach Empfang des optischen Signals mittels eines empfängerseitigen elektrooptischen Wandlers 80-2, serieller elektrischer Signalübertragung 78-2, seriell-parallel-Wandlung 76-2 und paralleler elektrischer Signalübertragung 74-2 gelangt das Datensignal zu einem zweiten Kommunikationspartner 72-2. Die Pfeile 82 und 84 symbolisieren eine in dieser Weise realisierte unidirektionale Übertragung (Pfeil 82) bzw. bidirektional Übertragung (Pfeil 84).
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3 veranschaulicht in einer der 2 entsprechenden Darstellung das Prinzip einer parallelen Datenübertragung mit Lichtwellenleitern. Es bezeichnen 72'-1 und 72'-2 den ersten bzw. zweiten Kommunikationspartner, 74'-1 und 74'-2 elektrische parallele Signalübertragungen, 80'-1 und 80'-2 elektrooptische Wandler und 70' den verwendeten Lichtwellenleiter, der hier aus mehreren optischen Fasern pro Übertragungsrichtung besteht. Die beiden Möglichkeiten einer unidirektionalen bzw. bidirektionalen Übertragung sind wieder durch Pfeile 82' bzw. 84' symbolisiert.
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Alle in den 2 und 3 zwischen einem der Kommunikationspartner und dem betreffenden Lichtwellenleiter dargestellten Teile sind als eine Schnittstelleneinrichtung bevorzugt baulich mit diesem Kommunikationspartner zusammengefasst. Der Übergang zwischen einzelnen optischen Fasern oder dem ganzen Lichtwellenleiter zu einem elektrooptischen Wandler (Sender, Empfänger oder Sender/Empfänger) kann jeweils durch einen ”optischen Steckverbinder” realisiert sein. Beispiele hierfür werden mit Bezug auf die 4 und 5 noch erläutert.
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Bei den in den 2 und 3 dargestellten Kommunikationspartnern 72-1, 72-2, 72'-1 und 72'-2 kann es sich z. B. um jede für eine LWL-Datensignalübertragung vorgesehene elektrische Komponente des in 1 dargestellten Energiespeichersystems 10 handeln. Die Datensignalübertragung kann zwischen zwei solchen Komponenten innerhalb des Systems 10 erfolgen und alternativ oder zusätzlich kann auch eine Signalübertragung zwischen einer Komponente des Systems 10 und einer externen Komponente der betreffenden Fahrzeugelektronik vorgesehen sein.
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4 zeigt beispielhaft einen ”board-to-board”-Steckverbinder 90 für eine bidirektionale optische Übertragung. Der Steckverbinder 90 besteht aus einem Stecker 90-1 und einer passenden Buchse 90-2. Diese beiden Steckverbinderkomponenten weisen im dargestellten Beispiel jeweils eine Reihe von Laserdioden 92 (als Sender) und eine Reihe von pin-Dioden 94 (als Empfänger) auf.
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5 ist eine der 4 entsprechende Veranschaulichung eines Steckverbinders 90' bestehend aus einem lediglich mit Sendern 92' ausgestatteten Stecker 90'-1 und einer lediglich mit Empfängern 94' ausgestatteten Buchse 90'-2. Über diesen Steckverbinder 90' erfolgt eine unidirektionale optische Übertragung.
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Wie aus den 4 und 5 ersichtlich, kann die LWL-Technik die eingesetzten Stecksysteme vereinfachend optimieren. Durch geeignete Kunststofftrennwände zwischen den Sendern/Empfängern kann eine sichere Trennung der einzelnen Übertragungskanäle und dadurch eine fehlerfreie Signalübertragung erzielt werden.
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Optische Steckverbinder der mit den 4 und 5 veranschaulichten Art können beispielsweise bei dem in 1 dargestellten Energiespeichersystem 10 zum Anschluss der als LWL ausgeführten Leitungen an die betreffenden Komponenten des Systems 10 eingesetzt werden (und/oder zum miteinander Verbinden von Schaltungsträgerplatten).
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Der vermeintliche Nachteil der einfachen Lichtwellenleitertechnik ist, dass keine Leistung über den Lichtwellenleiter übertragen werden kann. Um hier Abhilfe zu schaffen, kommt im Rahmen der Erfindung eine Kombination eines Lichtwellenleiters (enthaltend wenigstens eine optische Faser) mit wenigstens einem elektrischen Leiter in Betracht, um damit eine optische Datensignalübertragung mit einer elektrischen Energieübertragung und/oder elektrischen Datensignalübertragung zu kombinieren. Beispielhafte Ausgestaltungen einer solchen ”Kombinationsleitung” werden nachfolgend mit Bezug auf die 6, 7 und 8 erläutert.
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6 zeigt eine Kombinationsleitung 100, die aus einer optischen Faser 102 und vier elektrischen Leitern (Adern) 104 zusammengesetzt ist. 106 bezeichnet eine Schutzhülle, z. B. aus Kunststoff.
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7 zeigt eine Kombinationsleitung 100', zusammengesetzt aus einer Vielzahl von optischen Faser 102' und einem elektrischen Leiter 104', der im dargestellten Ausführungsbeispiel einen großflächigen Kern der Kombinationsleitung 100' bildet. Mit 106' ist hier eine Vergussmasse (z. B. Kunstharz) bezeichnet.
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8 zeigt eine Kombinationsleitung 100'' zusammengesetzt aus einer den Kern bildenden optischen Faser 102'' und einer darauf aufgedampften Schicht eines elektrischen Leiters 104''. Eine Ummantelung der Leitung 100'' ist durch eine Schutzhülle bzw. einen Verguss 106'' gebildet.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer ”rein optischen” Datensignalübertragung bei den betreffenden Leitungen des Energiespeichersystems 10 von 1 können also auch solche Kombinationsleitungen verwendet werden, wie sie beispielhaft in den 6 bis 8 dargestellt sind.
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Zusammenfassend können mit der erfindungsgemäßen Verwendung der optischen Übertragungstechnik bei einem elektrischen Energiespeichersystem eines Fahrzeuges insbesondere folgende Vorteile erreicht werden:
- – Keine Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen (evtl. Verzicht auf LVDS).
- – Hochspannungsschutz bzw. Hochspannungssicherheit. Insbesondere entfällt z. B. der bislang notwendige Sicherheitsabstand zwischen einzelnen spannungsführenden Teilen und den Signalleitungen bzw. -kabeln.
- – Galvanische Trennung der Kommunikationspartner ist ermöglicht, keine Probleme durch Korrosion von elektrischen Kontakten, insbesondere Steckkontakten.
- – Ermöglichung sehr hoher Datenübertragungsraten.
- – Verkleinerung des Durchmessers von Kabelbäumen bzw. Kabelbaumzweigen, insbesondere bei serieller Datenübertragung.
- – Ermöglichung eines sehr kompakten Aufbaus des Energiespeichersystems. Außerdem wird flexiblerer interner Aufbau des Systems ermöglicht.
- – Gewichtsersparnis, z. B. durch Einsparen von Bezugsleitungen (LVGS) und/oder durch den Einsatz von Kunststoff- oder Glasfaser-LWL.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021542 A1 [0064]
