-
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
-
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere als Elektro- oder Hybridfahrzeug bekannte Kraftfahrzeuge, werden heutzutage in der Regel mit einer so genannten Lithium-Ionen-Batterie als Antriebsbatterie ausgestattet. Diese weist eine derzeit akzeptable Energiedichte bei geringer Selbstentladung auf. Abhängig von der erzielbaren Reichweite des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs ist eine entsprechende Energiemenge in der Antriebsbatterie vorzusehen. So kann beispielsweise aufgrund des Ergebnisses einer Bedarfsanalyse eine Reichweite von ca. 100 km bei der Auslegung der Antriebsbatterie als ausreichend angesehen werden. Ein Nutzer ist aufgrund dieser Auslegung jedoch relativ starr an die vorgesehene Reichweite gebunden. Nachdem die Antriebsbatterie entladen ist, muss eine erneute Aufladung erfolgen, für die in der Regel etliche Stunden Ladezeit einzuplanen sind. Eine solche Ladezeit und eine daraus eventuell resultierende Reiseunterbrechung stellt eine starke Einschränkung bei der Nutzung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen dar.
-
Bei einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug tankt der Nutzer in bekannter Weise innerhalb kurzer Zeit den Brennkraftstoff wieder auf. Eine Reichweitenbegrenzung existiert quasi nicht, sofern dem Nutzer entsprechende Tankstellen zur Verfügung stehen.
-
Um eine höhere Reichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu ermöglichen, kann eine großzügigere Auslegung der Antriebsbatterie erfolgen. Diese könnte in dem o. g. Beispiel die Reichweite beispielsweise auf bis ca. 300 km erhöhen. Eine solche Auslegung geht jedoch in der Regel einher mit einem höheren Bauraumbedarf, führt zu höheren Fahrzeugkosten und auch zu höheren Betriebskosten. Darüber hinaus wird zusätzlich ein Kraftfahrzeuggewicht erhöht, was sich ebenfalls negativ auf einen Energieverbrauch des Elektro- oder Hybridfahrzeugs auswirkt. Ein Nutzer, der täglich eine Wegstrecke von weniger als 100 km zurückzulegen hat, benötigt somit keine solche im Fahrzeug permanent vorgehaltene, teure Kapazität einer Antriebsbatterie. Vielmehr wäre es für den o. g. Nutzer wirtschaftlicher, eine entsprechende Sicherheitsreserve im Fahrzeug zu haben oder über eine temporäre, flexibel nutzbare Ausdehnungsmöglichkeit der Reichweite zu verfügen.
-
Aus der
EP 0 779 668 A1 ist eine Verbindungseinheit für eine Verbindung zwischen einem Elektrofahrzeug und einer Metall-Luft-Batterie bekannt. Die Verbindungseinheit umfasst eine Batterieunterstützungsplatte sowie eine Mehrzahl von mehrzelligen Metall-Luft-Batterie-Einheiten. Die Metall-Luft-Batterie-Einheiten werden von der Batterieunterstützungsplatte gestützt und sind an dieser befestigt. Weiter umfasst die Verbindungseinheit eine Mehrzahl von lösbaren Mitteln zur Verbindung, um die Verbindungseinheit zumindest indirekt strukturell mit dem Elektrofahrzeug zu verbinden. Weiter dienen die Mehrzahl von lösbaren Mitteln zur Verbindung einer Positionierung und Unterstützung der genannten Metall-Luft-Batterie in einer vorbestimmten Position relativ zum Elektrofahrzeug während eines Betriebes des Elektrofahrzeugs. Weiter ist die genannte Batterieunterstützungsplatte mit Luftkanälen zur Kanalisierung von Reaktionsluft in die Mehrzahl von Metall-Luft-Batterie-Einheiten während eines Betriebs der Batterien ausgestattet.
-
Es stellt sich das technische Problem, eine an einen temporären Bedarf eines Nutzers angepasste Erhöhung einer in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, zur Verfügung stehenden elektrischen Antriebsleistung zu schaffen, wodurch eine temporäre Erhöhung einer Reichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs ermöglicht wird.
-
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Vorgeschlagen wird ein Batteriesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug. Das Batteriesystem umfasst mindestens eine sekundäre Antriebsbatterie. Unter einer sekundären Antriebsbatterie wird hierbei eine wiederaufladbare Antriebsbatterie verstanden. Das Elektro- oder Hybridfahrzeug umfasst hierbei weiter eine elektrische Antriebseinheit, beispielsweise einen Elektromotor, der über ein Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs aus der mindestens einen sekundären Antriebsbatterie mit elektrischer Leistung versorgt werden kann. Die sekundäre Antriebsbatterie ermöglicht hierbei auch einen so genannten Rekuperationsbetrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Hierbei wird kinetische Energie des Fahrzeugs mittels eines Generators in elektrische Energieumgewandelt; wobei die sekundäre Antriebsbatterie mittels dieser elektrischen Energie geladen wird. Die sekundäre Antriebsbatterie kann hierbei beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Unter einer Antriebsbatterie wird hierbei eine einzelne Batteriezelle oder ein Paket von mehreren Batteriezellen oder eine Gesamtheit von sekundären elektrischen Energiespeichern, die dem Antrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs dienen, verstanden. Lithium-Ionen-Batterien weisen in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte auf. Unter einer Leistungsdichte wird hierbei die in einer vorbestimmten Zeit einer Batterie für einen Antrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs entnehmbare Energie verstanden.
-
Weiter umfasst das Batteriesystem mindestens eine Aufnahmevorrichtung für mindestens eine primäre Antriebsbatterie. Unter einer primären Antriebsbatterie wird hierbei ein elektrischer Energiespeicher verstanden, der nicht wiederaufladbar ist. Ein derartiger Energiespeicher kann demnach nur einmal entladen werden. Vorzugsweise weist die primäre Antriebsbatterie eine hohe Energiedichte auf. Beispielsweise kann die primäre Antriebsbatterie eine Metall-Luft-Batterie, vorzugsweise eine Zink-Luft-Batterie, sein. Unter einer Energiedichte wird hierbei in einem bestimmten Volumen oder in einer bestimmten Masse der Antriebsbatterie gespeicherte Energie verstanden. Während eine hohe Leistungsdichte einer Antriebsbatterie beispielsweise ein schnelles Beschleunigen des Elektro- oder Hybridfahrzeugs ermöglicht, ermöglicht eine hohe Energiedichte eine hohe Reichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Durch eine Kombination von einer sekundären Antriebsbatterie und einer primären Antriebsbatterie als Energiespeicher für eine elektrische Antriebseinheit eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs lässt sich in vorteilhafter Weise eine Reichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs erhöhen; ohne dass auf einen energetisch günstigen Rekuperationsbetrieb verzichtet werden muss. Weisen die sekundären Antriebsbatterien beispielsweise eine hohe Leistungsdichte und die primären Antriebsbatterien eine hohe Energiedichte auf, so lässt sich in weiterer vorteilhafter Weise eine hohe Fahrdynamik mit einer hohen Reichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs kombinieren.
-
Weiter ist mindestens eine primäre Antriebsbatterie mittels der mindestens einen Aufnahmevorrichtung elektrisch an ein Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs koppelbar. Elektrisch koppelbar bedeutet hierbei, dass die mindestens eine primäre Antriebsbatterie wiederholt elektrisch mit dem Traktionsnetz verbunden und von dem Traktionsnetz getrennt werden kann. Alternativ, vorzugsweise jedoch kumulativ, ist die primäre Antriebsbatterie mittels der mindestens einen Aufnahmevorrichtung mechanisch an das Elektro- oder Hybridfahrzeug koppelbar. Mechanisch koppelbar bedeutet hierbei, dass die mindestens eine primäre Antriebsbatterie wiederholt mechanisch mit dem Elektro- oder Hybridfahrzeug verbunden oder von diesem gelöst werden kann Beispielsweise kann die primäre Antriebsbatterie in die Aufnahmevorrichtung eingesetzt und aus dieser wieder herausgenommen werden. Auch kann die primäre Antriebsbatterie in die Aufnahmevorrichtung eingesteckt werden. Unter einer mechanischen Kopplung an das Elektro- oder Hybridfahrzeug kann beispielsweise verstanden werden, dass die primäre Antriebsbatterie lösbar mit einer Karosserie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden werden kann.
-
Durch den Aufbau der erfindungsgemaßen Aufnahmevorrichtung für mindestens eine primäre Antriebsbatterie ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine an einen Bedarf eines Nutzers angepasste Bestückung der Aufnahmevorrichtung mit primären Antriebsbatterien und somit eine Erhöhung der im Elektro- oder Hybridfahrzeug vorhandenen elektrischen Energie erfolgen kann. Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine primäre Antriebsbatterie austauschbar ist. Vorzugsweise sind mehrere primäre Antriebsbatterien mittels der Aufnahmevorrichtung elektrisch an das Traktionsnetz und mechanisch an das Elektro- oder Hybridfahrzeug koppelbar. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, nur einzelne, beispielsweise entladene, primäre Antriebsbatterien auszutauschen.
-
Die Konstruktion der Aufnahmevorrichtung und/oder der primären Antriebsbatterie ist hierbei derart gewählt, dass ein Nutzer die primäre Antriebsbatterie auf einfache Weise lösbar mit der Aufnahmevorrichtung verbinden kann, beispielsweise über Schnellspann-, Rast- oder Bajonettverschlüsse. Neben einer elektrischen Verbindung mit dem Traktionsnetz und einer mechanischen Verbindung mit dem Elektro- oder Hybridfahrzeug kann mittels der mindestens einen Aufnahmevorrichtung auch ein System zur Datenübertragung der mindestens einen primären Antriebsbatterie datentechnisch mit einem Datennetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs, beispielsweise mit einem Bussystem (CAN-Bus), lösbar verbunden werden. Beispielsweise kann so eine Steuereinheit der primären Antriebsbatterie, die z. B. der Steuerung eines Lade-/oder Entladevorgangs der primären Antriebsbatterie und/oder einer Überwachung eines Ladezustands (SOC) und/oder eines Betriebszustands (SOH) der primären Antriebsbatterie dient, datentechnisch mit z. B. einem Bussystem des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden werden. Hierbei ist die Steuereinheit der primären Antriebsbatterie an der Antriebsbatterie selbst angeordnet.
-
Alternativ kann die Batteriesteuerheit in besonderen Fällen auch Fahrzeugseitig untergebracht werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Aufnahmevorrichtung mindestens einen fahrzeugseitigen Teil und einen an den fahrzeugseitigen Teil mechanisch und/oder elektrisch koppelbaren Teil. Hierbei ist der fahrzeugseitige Teil beispielsweise starr mit der Karosserie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden. Der mechanisch und/oder elektrisch koppelbare Teil ist hierbei lösbar mit dem fahrzeugseitigen Teil verbindbar. Zur mechanischen Verbindung können der fahrzeugseitige und/oder der koppelbare Teil beispielsweise Elemente für einen Schnellspann-, Rast- oder Bajonettverschluss aufweisen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine standardisierte Schnittstelle des Elektro- oder Hybridfahrzeugs für eine bedarfsangepasste Bestückung mit zusätzlichen primären Antriebsbatterien.
-
Hierbei kann der koppelbare Teil mit einer oder mehreren primären Antriebsbatterien bestückt werden, wofür der koppelbare Teil elektrisch und/oder mechanisch mit der primären Antriebsbatterie in lösbarer Art und Weise verbindbar ist. Wird ein mit einer oder mehreren primären Antriebsbatterien bestückter koppelbarer Teil mit dem fahrzeugseitigen Teil der Aufnahmevorrichtung verbunden, so erfolgt mittels des koppelbaren Teils in vorteilhafter Weise eine mechanische Verbindung zwischen der oder den primären Antriebsbatterien sowie eine elektrische Verbindung der einen oder mehreren Antriebsbatterien mit dem Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der koppelbare Teil mindestens einen sogenannten Batterietrog und einen Deckel. Der Batterietrog und der Deckel formen hierbei eine sogenannte Batterieeinrichtung. Der mindestens eine Batterietrog ist hierbei mittels des Deckels verschließbar. Weiter weist der Batterietrog mindestens eine Aufnahmevorrichtung oder einen Steckplatz für eine primäre Antriebsbatterie auf. Vorzugsweise ist die primäre Antriebsbatterie als eine, vorzugsweise standardisierte, Batteriepatrone ausgeführt. Mittels der mindestens einen Aufnahmevorrichtung für eine Batteriepatrone ist die Batterieeinrichtung mit mindestens einer primären Antriebsbatterie oder Batteriepatrone bestückbar. Bestückbar bedeutet hierbei, dass die primäre Antriebsbatterie oder Batteriepatrone elektrisch und/oder mechanisch mit dem koppelbaren Teil in lösbarer Art und Weise verbindbar ist. Vorzugsweise ist der Batterietrog mit mehreren Batteriepatronen bestückbar. Hierfür können der Batterietrog und/oder die Batteriepatronen Elemente einer mechanisch lösbaren Verbindung, beispielsweise einer Schnellspann Rast- oder Bajonettverschluss-Verbindung, aufweisen. Der Batterietrog kann hierbei eine äußere Form aufweisen, die an Bauraumanforderungen des Elektro- oder Hybridfahrzeugs angepasst ist. Die Batteriepatronen können beispielsweise standardisiert ausgeführt sein. In diesem Fall ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass standardisierte Batteriepatronen mittels des Batterietroges an das Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs elektrisch angeschlossen werden können.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfassen der Batterietrog und/oder der Deckel mindestens ein Element zur Spannungswandlung und/oder mindestens ein Element zur Steuerung der primären Antriebsbatterie und/oder mindestens ein Element zur Übertragung elektrischer Leistung und/oder mindestens ein Element zur Kühlung und/oder mindestens ein Element zur Versorgung mit Reaktionsluft und/oder mindestens ein Element zur Datenübertragung.
-
Das Element zur Spannungswandlung kann hierbei beispielsweise ein sogenannter DC/DC-Wandler sein. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein unterschiedliches Spannungsniveau von Traktionsnetz und primärer Antriebsbatterie kompensieren.
-
Das Element zur Steuerung der primären Antriebsbatterie kann hierbei beispielsweise die vorhergehend erwähnte Steuereinheit der primären Antriebsbatterie sein oder deren genannte Funktionen ausführen. Hierbei ist auch vorstellbar, dass das Element zur Steuerung der primären Antriebsbatterie für eine Steuerung mehrerer primärer Antriebsbatterien dient. So kann z. B. ein Element zur Steuerung der Steuerung aller in den Batterietrog eingesetzten Batteriepatronen dienen. Jedoch ist auch vorstellbar, dass für jede in den Batterietrog einsetzbare Batteriepatrone ein individuelles Element zur Steuerung vorgesehen ist. Ein Element zur Übertragung elektrischer Leistung umfasst hierbei elektrische Leitungen, Anschlusskontakte, Shunts, Schalter wie z. B. MOSFETs und IGBT.
-
Elemente zur Kühlung können hierbei z. B. mechanisch ausgebildete Kühlrippen oder Elemente zur aktiven Kühlung mittels z. B. Luft oder einer Kühlflüssigkeit sein.
-
Elemente zur Versorgung mit Reaktionsluft dienen hierbei einer Versorgung insbesondere von als Metall-Luft-Batterien ausgebildeten Batteriepatronen mit Luft. Diese können beispielsweise als Luftkanäle ausgeführt sein. Die Luftkanäle können hierbei beispielsweise durch Fahrtluft oder mittels eines Ventilators mit Luft gespeist werden.
-
Elemente zur Datenübertragung umfassen hierbei elektrische und elektronische Elemente zur Datenübertragung zwischen dem Datennetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs und Steuereinheiten, die in, auf oder an dem Batterietrog, dem Deckel oder einer Batteriepatrone angeordnet sind. Elemente zur Datenübertragung ermöglichen somit eine Datenübertragung zwischen dem Fahrzeug und dem koppelbaren Teil als auch eine Datenübertragung zwischen den Elementen des koppelbaren Teils.
-
Somit kann die Batterieeinrichtung, also der Batterietrog und der Deckel, selbst noch ein eigenes, von einem fahrzeugseitigen Batteriemanagement verschiedenes, Batteriemanagementsystem umfassen. Auch kann die Batterieeinrichtung elektrische Anschluss- und Verbindungselemente zur Kontaktierung der einzelnen Batteriepatronen als auch zur Kontaktierung des Traktions- und Datennetzes des Elektro- oder Hybridfahrzeugs aufweisen. Hierdurch können sowohl Energieleitungen als auch die Datenleitungen an das Elektro- oder Hybridfahrzeug angeschlossen werden.
-
Eine in die Batterieeinrichtung eingesetzte Batteriepatrone, beispielsweise eine Zink-Luft-Batteriepatrone, besteht hierbei aus einem Gehäuse, einem Separator und einem Anodenmaterial. Hierbei können die Batteriepatronen eine standardisierte Form aufweisen, die somit in einer Vielzahl von unterschiedlichen Elektro- oder Hybridfahrzeugen mit unterschiedlicher, fahrzeugspezifischer Anordnung der Batteriepatronen in der Batterieeinrichtung einsetzbar sind.
-
Um Batteriepatronen austauschen zu können, wird die Batterieeinrichtung elektrisch vom Fahrzeug entkoppelt. Hierzu kann beispielsweise eine Einrichtung zur Strommessung und eine Einrichtung zur elektrischen Trennung, beispielsweise ein oder mehrere Schalter, eingesetzt werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Batterieeinrichtung nur in einem sicheren Zustand von dem Traktionsnetz getrennt werden kann. In einem weiteren Schritt wird die Batterieeinrichtung mechanisch vom Elektro- oder Hybridfahrzeug getrennt. Dies geschieht beispielsweise durch Lösen von Schnellsicherungsverschlüssen, um eine Fahrzeugentnahme zu ermöglichen.
-
Alternativ kann durch ein Entfernen des Elektrolyts ebenfalls die Reaktion gestoppt und damit die Batterie stromlos geschaltet werden.
-
In einem weiteren Schritt wird die Batterieeinrichtung geöffnet, beispielsweise indem der Deckel angehoben oder abgenommen wird.
-
In einem weiteren Schritt werden verbrauchte Batteriepatronen entnommen und durch unverbrauchte Batteriepatronen ersetzt. Hierbei verbleibt der Elektrolyt im Batterietrog. Unter Umständen kann weiter Elektrolyt aufgefüllt werden, bevor der Deckel der Batterieeinrichtung wieder geschlossen wird.
-
Alternativ kann der Elektorlyt auch als Bestandteil der Batteriepatrone bei jedem Wechsel mit ausgetauscht werden. Dies kann vorteilhaft sein, weil so keinerlei korrosiven oder anderweitig gefährlichen Stoffe frei zugänglich sind.
-
In einem weiteren Schritt wird die geschlossene Batterieeinrichtung wieder mechanisch mit dem Elektro- oder Hybridfahrzeug verbunden.
-
In einem letzten Schritt wird die neu bestückte Batterieeinrichtung elektrisch mit dem Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden.
-
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Hierbei umfasst ein Batteriesystem des Elektro- oder Hybridfahrzeugs mindestens eine sekundäre Antriebsbatterie. Eine Steuereinheit des Batteriesystems regelt oder steuert eine Übertragung elektrischer Energie aus der mindestens einen sekundären Antriebsbatterie in ein Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
-
Weiter umfasst das Batteriesystem mindestens eine Aufnahmevorrichtung für mindestens eine primäre Antriebsbatterie. Die mindestens eine primäre Antriebsbatterie ist hierbei mittels der mindestens einen Aufnahmevorrichtung elektrisch an das Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs und/oder mechanisch an das Elektro- oder Hybridfahrzeug koppelbar. Weiter steuert oder regelt die Steuereinheit des Batteriesystems eine Übertragung elektrischer Energie aus der mindestens einen primären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs, falls die mindestens eine primäre Antriebsbatterie elektrisch an das Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs gekoppelt ist. Selbstverständlich ist auch vorstellbar, dass die Steuerung oder Regelung der Übertragung von elektrischer Energie aus der mindestens einen primären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz durch eine individuelle Steuereinheit des Batteriesystems erfolgt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine elektrische Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinheit des Elektro- oder Hybridfahrzeugs anteilsmäßig auf sekundäre und primäre Antriebsbatterien verteilt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, z. B. für einen begrenzten Zeitraum, eine Energieversorgung vollständig aus einer sekundären Antriebsbatterie oder einer primären Antriebsbatterie zu realisieren. Auch ist es möglich, einen vorbestimmten Anteil einer benötigten elektrischen Energie für einen Fahrzeugantrieb aus einer sekundären Antriebsbatterie und den verbleibenden Anteil aus einer primären Antriebsbatterie zu realisieren.
-
In einer weiteren Ausführungsform steuert die Steuereinheit des Batteriesystems die Übertragung von elektrischer Energie aus der mindestens einen sekundären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz und/oder die Übertragung elektrischer Energie aus der mindestens einen primären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz in Abhängigkeit eines Ladezustands der primären Antriebsbatterie und/oder der sekundären Antriebsbatterie und/oder einer Fahrsituation. Ist beispielsweise eine sekundäre Antriebsbatterie voll geladen, so wird vorzugsweise eine elektrische Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit aus der sekundären Antriebsbatterie realisiert, um einen späteren Rekuperationsbetrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu ermöglichen. Eine Steuerung in Abhängigkeit einer Fahrsituation bedeutet hierbei, dass die Steuerung der elektrischen Energieversorgung in Abhängigkeit von fahrdynamischen Zustandsgrößen, wie z. B. Geschwindigkeit, Beschleunigung und weiteren fahrdynamischen Zustandsgrößen, erfolgt. Wird das Elektro- oder Hybridfahrzeug z. B. stark beschleunigt oder wird ein Wunsch nach einer starken Beschleunigung erfasst, so wird vorzugsweise eine elektrische Energieversorgung aus einer Antriebsbatterie mit hoher Leistungsdichte realisiert. In der Regel ist dies hierbei eine Lithium-Ionen-Batterie, die als sekundäre Antriebsbatterie dient.
-
Eine Steuerung oder Regelung einer elektrischen Energieübertragung von einer primären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz sowie eine elektrische Energieübertragung von einer sekundären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz oder aus dem Traktionsnetz in eine sekundäre Antriebsbatterie kann auch z. B. in Abhängigkeit eines Ladezustands der primären oder sekundären Antriebsbatterie, einer Temperatur der primären oder sekundären Antriebsbatterie, eines Alters der primären oder sekundären Antriebsbatterie und/oder spezifischen Kosten einer Energieversorgung aus primärer oder sekundärer Antriebsbatterie erfolgen. Hierbei ist zu beachten, dass eine Energieversorgung aus einer z. B. als Metall-Luft-Batterie, insbesondere einer als Zink-Luft-Batterie, ausgebildeten primären Antriebsbatterie teurer ist als eine elektrische Energieversorgung aus einer als z. B. Lithium-Ionen-Batterie ausgebildeten sekundären Antriebsbatterie.
-
In einer weiteren Ausführungsform steuert die Steuereinheit des Batteriesystems die Übertragung von elektrischer Energie aus der mindestens einen sekundären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz und/oder die Übertragung elektrischer Energie aus der mindestens einen primären Antriebsbatterie in das Traktionsnetz in Abhängigkeit eines Routenprofils. Hierfür kann die Steuereinheit z. B. datentechnisch, z. B. über einen CAN-Bus, mit einem Navigationssystem des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden sein. Hierbei kann das Navigationssystem routenspezifische Daten, wie z. B. eine voraussichtliche Fahrtstrecke oder -länge, an die Steuereinheit des Batteriesystems übermitteln, die daraus einen voraussichtlichen Energiebedarf abschätzen kann und aus einem Vergleich mit den Ladezuständen der primären und sekundären Antriebsbatterien ein Energiemanagement durchführt oder eine Restreichweite an das Navigationssystem zurück übermittelt, welches daraus z. B. eine Fahrtroute zu einer nächsten Lade oder Austauschstation berechnet und vorschlägt.
-
Beabsichtigt der Nutzer beispielsweise, Batteriepatronen an einer Austauschstation oder einem beliebig auswählbaren Ort auszutauschen, kann eine Energieversorgung aus primären Antriebsbatterien derart gesteuert werden, dass Batteriepatronen am Zielort des Austausches leer sind und somit nach Möglichkeit ohne Restenergie ausgetauscht werden können. Hierzu kann der Nutzer beispielsweise über eine Eingabeeinheit, beispielsweise ein Display, eingeben, in wie viel Kilometern er eine Entleerung der primären Antriebsbatterie wünscht. Weiter ist vorstellbar, dass er beispielsweise über das Navigationssystem Stationen für einen Austausch von Batteriepatronen angezeigt bekommt, die dann für ihn auswählbar sind. Das Navigationssystem navigiert ihn zu einer ausgewählten Austauschstation und gibt gleichzeitig entsprechende Anweisungen an die Steuereinheit des Batteriesystems, die Batteriepatronen bis spätestens zum Ziel zu entleeren.
-
In einer weiteren Ausführungsform steuert die Steuereinheit eine Übertragung von elektrischer Energie aus der mindestens einen primären Antriebsbatterie in die mindestens eine sekundäre Antriebsbatterie in Abhängigkeit eines Ladezustands der primären Antriebsbatterie und/oder eines Ladezustands der sekundären Antriebsbatterie und/oder in Abhängigkeit eines Routenprofils. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass eine primäre Antriebsbatterie z. B. an einer Batteriewechselstation vollständig entladen ist, wobei elektrische Energie aus der primären Antriebsbatterie, die nicht für einen Antrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs dient, in die sekundäre Antriebsbatterie erfolgt. Somit ist also ein so genanntes Umladen von Antriebsbatterien über das Traktionsnetz möglich.
-
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Zink-Luft-Batterie (Stand der Technik),
-
2 eine schematische Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs,
-
3a eine perspektivische Unteransicht eines Elektroautos,
-
3b eine schematische Seitenansicht des Elektroautos aus 3a,
-
4 eine perspektivische Darstellung einer Batterievorrichtung,
-
5 ein schematisches Blockschaltbild eines Elektrofahrzeugs,
-
6 eine schematische Darstellung einer Anzeigeeinheit eines Elektrofahrzeugs und
-
7 ein schematisches Flussdiagramm eines Austauschsvorgangs von primären Antriebsbatterien.
-
Folgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Zink-Luft-Batterie 1 gemäß dem Stand der Technik. In der Zink-Luft-Batterie 1 wird Zink 2 zu Zinkoxid (Oxidation) umgewandelt. Bei dieser Umwandlung wird elektrische Energie frei, was schematisch durch einen Fluss von Elektronen e– dargestellt ist. Das Zink 2 dient bei der Zink-Luft-Batterie 1 als Anode und Luft als Katode 3. Luft kann hierbei einer Umgebung entnommen werden. Allerdings ist zu beachten, dass diese Luft CO2 reduziert sein muss, wofür beispielsweise geeignete Filter vorzusehen sind. Weiter weist die Zink-Luft-Batterie 1 einen Separator 4 auf. Als Elektrolyt wird in der Regel Kalilauge (KOH-Lösung) verwendet. In 1 ist hierbei ein Entladevorgang der Zink-Luft-Batterie 1 gezeigt. Bei der Zink-Luft-Batterie 1 handelt es sich im allgemeinen Verständnis um eine Primärbatterie. Diese ist also nicht wieder aufladbar. Durch Ersatz einer vollständig oxidierten Zinkanode 2 durch eine nicht-oxidierte Zinkanode 2 ist die Zink-Luft-Batterie 1 wieder vollständig geladen.
-
Eine andere Möglichkeit die Primärbatterie wieder aufzuladen ist eine elektrochemische Umwandlung des Zinkoxids in Zink (Reduktion) im Fahrzeug durchzuführen.
-
In 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs 5 dargestellt. Im Elektrofahrzeug 5 sind mehrere Lithium-Ionen-Batterien 6 angeordnet, die als sekundäre Antriebsbatterien dienen. Hierbei ist dargestellt, dass die Lithium-Ionen-Batterien 6 in einem Bodenbereich des Elektrofahrzeugs 5 unterhalb eines nicht dargestellten Fahrersitzes angeordnet sind. In einem Heckbereich des Elektrofahrzeugs 5 unterhalb eines nicht dargestellten Hintersitzes ist eine Batterieeinheit 7 angeordnet, wobei in der Batterieeinheit 7 mehrere Zink-Luft-Batterien 1 als Batteriepatronen angeordnet sind. Die Batterieeinheit 7 ist hierbei detailliert in 4 dargestellt. Die Zink-Luft-Batterien 1, die als Batteriepatronen ausgeführt sind, dienen hierbei als primäre Antriebsbatterien. Durch die Anordnung der Batterieeinheit 7 unterhalb des Hintersitzes in dem Heckbereich des Elektrofahrzeugs 5 wird in vorteilhafter Weise eine einfache Zugänglichkeit zur Entnahme bzw. zum Einsetzen der Batterieeinheit 7 in das Elektrofahrzeug 5 gewährleistet.
-
Im Prinzip kann der Einbauort der Primärzellen 7 und der Sekundärzellen 6 beliebig gewählt werden.
-
3a zeigt eine perspektivische Unteransicht eines Elektrofahrzeugs 5. Hierbei sind wiederum Lithium-Ionen-Batterien 6 dargestellt, die in einem Bodenbereich des Elektrofahrzeugs 5 unterhalb eines nicht dargestellten Fahrersitzes angeordnet sind. In einem Heckbereich des Elektrofahrzeugs 5 ist eine Batterieeinheit 7, die mehrere als Batteriepatronen ausgeführte z. B. Zink-Luft-Batterien 1 umfasst, unterhalb eines nicht dargestellten Hintersitzes angeordnet.
-
3b zeigt eine schematische Seitenansicht des Elektrofahrzeugs 5, welches in 3a dargestellt ist. Ersichtlich ist hierbei wiederum die Anordnung von Lithium-Ionen-Batterien 6 und die Anordnung der Batterieeinheit 7, wobei im Prinzip der Einbauort der Primärzellen 7 und der Sekundärzellen 6 beliebig gewählt werden kann.
-
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit 7. Die Batterieeinheit 7 umfasst einen Batterietrog 8 und einen abnehmbaren Deckel 9. Zum Abnehmen weist der Deckel 9 beispielsweise einen Griff 10 auf. In den Batterietrog 8 sind hierbei mehrere als Batteriepatronen ausgeführte Zink-Luft-Batterien 1 eingesetzt. Hierbei weist der Batterietrog 8 Steckplätze 11 für die Batteriepatronen auf. Hierbei ist dargestellt, dass die Batteriepatronen quaderförmig ausgeführt sind. Die Batteriepatronen sind in einen Steckplatz 11 einsetzbar und aus diesem herausnehmbar. Weiter ist dargestellt, dass Seitenwände der Batteriepatronen z. B. rechteckförmige Öffnungen 12 aufweisen. Diese Öffnungen 12 dienen der Zufuhr von Reaktionsluft, um ein Oxidieren des in 1 dargestellten Zinks 2 in der Zink-Luft-Batterie 1 zu ermöglichen. Weiter ist dargestellt, dass die einzelnen Steckplätze 11 beabstandet voneinander angeordnet sind. In einen Zwischenraum 13 zwischen zwei Steckplätzen 11 kann hierbei Luft zu den Seitenwänden von in die Steckplätze 11 eingesteckte Batteriepatronen strömen. In 4 ist hierbei dargestellt, dass eine Zink-Luft-Batterie 1 an einer Oberseite der Zink-Luft-Batterie eine Schnittstelleneinheit 14 aufweist. Die Schnittstelleneinheit 14 umfasst hierbei einen nicht dargestellte Steuereinheit der Zink-Luft-Batterie 1, die dem Management der Zink-Luft-Batterie 1 dient. Weiter umfasst die Schnittstelleneinheit 14 Elemente zur Übertragung elektrischer Leistung, Elemente zur Datenübertragung und einen DC/DC-Wandler. Der Batterietrog 8 ist hierbei als koppelbarer Teil mit einem fahrzeugseitigen Teil, der im Elektrofahrzeug 5 angeordnet ist, koppelbar. Wird der Batterietrog 8 mit dem fahrzeugseitigen Teil gekoppelt, so erfolgt eine elektrische Verbindung zwischen einem nicht dargestellten Traktionsnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs 5 und den Zink-Luft-Batterien 1 mittels der Schnittstelleneinheiten 14 und nicht dargestellten Elementen zur Übertragung elektrischer Leistung des Batterietrogs 8 und des Deckels 9. Weiter ist der Batterietrog 8 in diesem Zustand auch mechanisch an eine Karosserie des Elektrofahrzeugs 5 gekoppelt.
-
In 5 ist ein schematisches Blockschaltbild von Steuereinheiten des z. B. in 2 dargestellten Elektrofahrzeugs 5 dargestellt. Hierbei umfasst das Elektrofahrzeug 5 ein zentrales Fahrzeugsteuergerät 15. Weiter umfasst das Elektrofahrzeug 5 eine Steuereinheit 16 des Batteriesystems. Weiter umfasst das Elektrofahrzeug 5 eine Einheit 17 zur Fahrerinformation, eine Einheit 18 zur Fahrerunterhaltung, eine Steuereinheit 19 zur Batterieklimatisierung, eine Steuereinheit 20 zur Fahrzeuginnenraumklimatisierung, eine Steuereinheit 21 von Fahrerassistenzfunktionen und eine Schnittstelle 22 zu einem Kraftfahrzeugführer. Weiter umfasst das Elektrofahrzeug 5 eine Steuereinheit 23 für einen Elektromotor 24, eine Steuereinheit 25 einer Lithium-Ionen-Batterie 6, eine Steuereinheit 26 für eine Zink-Luft-Batterie 1 und eine Steuereinheit 27 für eine Bordnetzbatterie 28. Hierbei sind die Einheiten 17, 18 über ein CAN-Bus 29 (CAN-Infotainment) datentechnisch mit dem Fahrzeugsteuergerät 15 verbunden. Weiter sind die Steuereinheiten 19, 20 über einen CAN-Bus 30 (CAN-Komfort) datentechnisch mit dem Fahrzeugsteuergerät 15 verbunden. Die Steuereinheit 21 und die Schnittstelle 22 sind über einen CAN-Bus 31 (CAN-Kombi) datentechnisch mit dem Fahrzeugsteuergerät 15 verbunden. Über einen CAN-Bus 32 (CAN-Antrieb) ist das Fahrzeugsteuergerät 15 datentechnisch mit der Steuereinheit 16 für das Batteriesystem verbunden. Die Steuereinheit 16 für das Batteriesystem ist über einzelne CAN-Busse 33 mit den Steuereinheiten 23, 25, 26, 27 datentechnisch verbunden. Das Fahrzeugsteuergerät 15 stellt somit die zentrale Schnittstelle zwischen Steuereinheiten des Elektrofahrzeugs 5 und Einheiten zur elektrischen Energieversorgung des Elektrofahrzeugs 5 dar. In 5 ist dargestellt, dass jede Batterie, also die Lithium-Ionen-Batterie 6, die Zink-Luft-Batterie 1 und die Bordnetzbatterie 28 über eine jeweils eigene Steuereinheit 25, 26, 27 verfügen. Ein derartiges System sorgt für einen optimalen Betrieb einer jeden Batterie 1, 6, 28 und für eine entsprechend hohe Lebensdauer. Des Weiteren ist hierdurch in vereinfachter Weise eine hohe Betriebssicherheit der Batterien 1, 6, 28 gewährleistet.
-
Die Steuereinheit 16 des Batteriesystems steuert in Verbindung mit den Steuereinheiten 25, 26 die Verwendung der verschiedenen Antriebsbatterien 1, 6 während einer Fahrt des Elektrofahrzeugs 5. Die Steuereinheit 16 des Batteriesystems ist hierbei unabhängig von einer Technik der verwendeten Antriebsbatterien 1, 6. Beispielsweise kann die Steuereinheit 16 des Batteriesystems Sollwerte für eine Entladung der Lithium-Ionen-Batterie 6 und der Zink-Luft-Batterie 1 aus Fahrtrouteninformationen und Ladezustandsinformationen berechnen und datentechnisch an die Steuereinheiten 25, 26 übermitteln, die dann den Entladevorgang steuern.
-
Hierbei ist zu beachten, dass als Antriebsbatterien im dargestellten Ausführungsbeispiel die Lithium-Ionen-Batterien 6 und die Zink-Luft-Batterien 1 dienen. Die Bordnetzbatterie 28 dient hierbei ausschließlich einer Energieversorgung eines Bordnetzes und als zusätzlicher Energiespeicher im Rekuperationsbetrieb.
-
Die Einheit 17 zur Fahrerinformation kann hierbei beispielsweise ein Navigationssystem umfassen. Durch die datentechnische Verbindung von der Einheit 17, dem Fahrzeugsteuergerät 15 und der Steuereinheit 16 für das Batteriesystem kann hierbei eine Entnahme von elektrischer Energie aus den Lithium-Ionen-Batterien 6 und den Zink-Luft-Batterien 1 anteilsmäßig in Abhängigkeit von Fahrtrouteninformationen gesteuert werden.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Anzeigeeinheit 34 eines Elektrofahrzeugs 5. Neben standardmäßig verwendeten Anzeigen 35 für eine Fahrzeuggeschwindigkeit und Anzeigen 36 für spezielle Fahrzeugstati umfasst die Anzeigeeinheit 34 eine Anzeige 37 für einen Ladezustand von Lithium-Ionen-Batterien 6 (siehe z. B. 2) und eine Anzeige 38 für einen Ladezustand von Zink-Luft-Batterien 1 (siehe z. B. 2). In einer zentralen Anzeige 39 der Anzeigeeinheit 34 können beispielsweise dynamische Informationen angezeigt werden, z. B. dass ein Austausch der Zink-Luft-Batterien 1 in einer bestimmten Anzahl von Kilometern notwendig ist.
-
7 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Wechselvorgangs von Zink-Luft-Batterien 1, die beispielsweise in 2 dargestellt sind. In einem ersten Schritt 40 wird hierbei die in 4 dargestellte Batterieeinrichtung 7 elektrisch von einem Traktionsnetz des Elektrofahrzeugs 5 entkoppelt. Weiter wird die Batterieeinrichtung 7 mechanisch von dem Elektrofahrzeug gelöst, beispielsweise aus dem in 4 dargestellten Heckbereich entnommen.
-
In einem zweiten Schritt 41 wird die Batterieeinrichtung 7 geöffnet, beispielsweise indem der Deckel 9 angehoben wird. Hiernach werden verbrauchte, als Batteriepatronen ausgeführte Zink-Luft-Batterien 1 entnommen und durch unverbrauchte Zink-Luft-Batterien 1 ersetzt.
-
In einem dritten Schritt 42 wird der Deckel 9 geschlossen und die Batterieeinrichtung 7 zuerst mechanisch mit dem Elektrofahrzeug 5 und dann elektrisch mit dem Traktionsnetz des Elektrofahrzeugs 5 verbunden.
-
In einem vierten Schritt 43 ist hiernach wieder eine Leistungsentnahme von elektrischer Leistung aus den Zink-Luft-Batterien 1 möglich, um daraus einen z. B. in 5 dargestellten Elektromotor 24 anzutreiben.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zink-Luft-Batterie
- 2
- Zink
- 3
- Anode
- 4
- Separator
- 5
- Elektrofahrzeug
- 6
- Lithium-Ionen-Batterie
- 7
- Batterieeinrichtung
- 8
- Batterietrog
- 9
- Deckel
- 10
- Griff
- 11
- Steckplatz
- 12
- Öffnung
- 13
- Zwischenraum
- 14
- Schnittstelleneinheit
- 15
- Fahrzeugsteuergerät
- 16
- Steuereinheit eines Batteriesystems
- 17
- Einheit zur Fahrerinformation
- 18
- Einheit zur Fahrerunterhaltung
- 19
- Steuereinheit zur Batterieklimatisierung
- 20
- Steuereinheit zur Innenraumklimatisierung
- 21
- Steuereinheit für Fahrerassistenzsysteme
- 22
- Schnittstelle zu einem Kraftfahrzeugführer
- 23
- Steuereinheit für einen Elektromotor
- 24
- Elektromotor
- 25
- Steuereinheit für eine Lithium-Ionen-Batterie
- 26
- Steuereinheit für eine Zink-Luft-Batterie
- 27
- Steuereinheit für eine Bordnetzbatterie
- 28
- Bordnetzbatterie
- 29
- CAN-Bus
- 30
- CAN-Bus
- 31
- CAN-Bus
- 32
- CAN-Bus
- 33
- CAN-Bus
- 34
- Anzeigeeinheit
- 35
- Anzeige einer Fahrzeuggeschwindigkeit
- 36
- Anzeige für Fahrzeugstati
- 37
- Anzeige für einen Ladezustand von Lithium-Ionen-Batterien
- 38
- Anzeige für einen Ladezustand von Zink-Luft-Batterien
- 39
- Zentrale Anzeige
- 40
- erster Schritt
- 41
- zweiter Schritt
- 42
- dritter Schritt
- 43
- vierter Schritt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-