DE102010061025A1

DE102010061025A1 - Vorrichtung zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten

Info

Publication number: DE102010061025A1
Application number: DE102010061025A
Authority: DE
Inventors: Jens Bockstette; Olaf Elsen; Dragan Skundric; David Seibert; Michael Stapelbrock
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten, die jeweils einen ersten Energiespeicher aufweisen, zu einem Energieeinheitenverbund in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Verbrauchereinheit, wobei der Spannungswert jeder Energieeinheit durch eine Messvorrichtung ermittelbar. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spannungswert der entsprechenden Energieeinheit einer Kontrolleinheit übermittelbar ist, wobei die Kontrolleinheit, im Falle einer Spannungsdifferenz zwischen den Energieeinheiten, die Spannungen der Energieeinheiten über einen Strombegrenzer auf eine gleiche Spannungsebene angleicht, wobei dieser Vorgang durch die Kontrolleinheit kontrollierbar ist und nach der erfolgten Spannungsangleichung die Energieeinheiten über wenigstens eine elektrische Schaltvorrichtung zu dem Energieeinheitenverbund parallel schaltbar sind und elektrische Energie des Energieeinheitenverbundes über zumindest einen Zweipol an die elektrische Verbrauchereinheit abgebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten, die jeweils einen ersten Energiespeicher aufweisen, zu einem Energieeinheitenverbund in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Verbrauchereinheit, wobei der Spannungswert jeder Energieeinheit durch eine Messvorrichtung ermittelbar ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten, die jeweils einen ersten Energiespeicher aufweisen, zu einem Energieeinheitenverbund in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Verbrauchereinheit, wobei der Spannungswert jeder Energieeinheit durch eine Messvorrichtung ermittelt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 10 2009 019 531 A1 ist bekannt, dass einzelne elektrische Batterien in einem Kraftfahrzeug über eine Schaltvorrichtung parallel geschaltet werden können. Dabei können die jeweiligen Batterien über die elektrischen Schaltvorrichtungen sowohl einzeln als auch parallel zur Energieabgabe an einen elektrischen Verbraucher durchgeschaltet werden. Im Fall, dass die einzelnen Energieeinheiten unterschiedliche Spannungen aufweisen, verhindern eingesetzte Sperrdioden dabei einen ungewollten Stromfluss zwischen den Batterien. Sind die Batterien anfangs getrennt und bestehen Spannungsunterschiede, so wird zuerst die Batterie mit der höchsten Spannung zur Energieabgabe an den Verbraucher geschaltet, während die Batterien mit niedrigerer Spannung erst bei Erreichung einer gleichen Spannungsebene zu einem Verbund hinzugeschaltet werden. Da zunächst nur die Batterie mit der höchsten Spannung belastet wird, nimmt diese Spannung ab. Erreicht diese Spannung dann die Spannung der nächst niedrigeren Batterie, so wird diese zu dem Verbund hinzugeschaltet. Dieses Vorgehen kann dann mit allen vorhandenen Batterien wiederholt werden. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass eine Parallelschaltung der einzelnen Fahrzeugbatterien nur während des Betriebes des elektrischen Kraftfahrzeuges unter der Voraussetzung erfolgen kann, dass die Spannungen der einzelnen Fahrzeugbatterien durch den Betrieb angeglichen worden sind. Damit kann nicht durchgehend auf die Gesamtkapazität der einzelnen Fahrzeugbatterien während des Betriebes des elektrischen Kraftfahrzeuges zurückgegriffen werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten zur Energieversorgung eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeuges zu schaffen, die bzw. das eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 11 vorgeschlagen, insbesondere mit den Merkmalen des jeweiligen kennzeichnenden Teils. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spannungswert der entsprechenden Energieeinheit einer Kontrolleinheit übermittelbar ist, wobei die Kontrolleinheit, im Falle einer Spannungsdifferenz zwischen den Energieeinheiten, die Spannungen der Energieeinheiten über einen Strombegrenzer auf eine gleiche Spannungsebene angleicht, wobei dieser Vorgang durch die Kontrolleinheit kontrollierbar ist und nach der erfolgten Spannungsangleichung die Energieeinheiten über wenigstens eine elektrische Schaltvorrichtung zu dem Energieeinheitenverbund parallel schaltbar sind und elektrische Energie des Energieeinheitenverbundes über zumindest einen Zweipol an die elektrische Verbrauchereinheit abgebbar ist. Der Begriff Zweipol beschränkt dabei die Klemmenanzahl nicht auf zwei Klemmen, sondern wird im Sinne der Erfindung als Energieaufnahme oder -abgabepunkt verstanden. Natürlich ist es dabei denkbar, dass der Zweipol mehrere Leitungsstränge miteinander verbindet und/oder dabei mehrere Leitungsstränge aus dem Energieeinheitenverbund nach außen führt, die auch unterschiedliche Potentialunterschiede aufweisen können.
Der Kern der Erfindung besteht darin, einen Energieeinheitenverbund in einem Kraftfahrzeug durch mehrere einzelne Energieeinheiten für einen elektrischen Verbraucher zur Verfügung zu stellen, da es in elektrisch antreibbaren Fahrzeugen aus Platzmangel häufig nicht möglich ist, eine zusammenhängende Energieeinheit aufzubauen. Um dennoch eine ausreichend hohe Gesamtkapazität für den Betrieb des elektrischen Kraftfahrzeuges zu ermöglichen, muss diese dann zwangsläufig auf mehrere Energieeinheiten aufgeteilt werden. Dabei bestehen die Energieeinheiten aus in Serie geschalteten Zellen bzw. Modulen. Grundsätzlich ist die Parallelschaltung von Batterien problematisch, da beim Parallelschalten ungleich geladener Batterien hohe Ausgleichsströme fließen können, die zur Zerstörung, insbesondere zum Brand der Energieeinheit führen können. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einzelnen Energieeinheiten kontrolliert parallel geschaltet werden. Um die Parallelschaltung zu kontrollieren wird eine Kontrolleinheit eingesetzt, die die einzelnen Spannungswerte der entsprechenden Energieeinheiten registriert. Im Falle einer Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Energieeinheiten, werden über einen Strombegrenzer die Spannungen der einzelnen Energieeinheiten auf eine gleiche Spannungsebene angeglichen. Dieser Vorgang ist durch die Kontrolleinheit kontrollierbar, so dass nach der erfolgten Spannungsangleichung die Energieeinheiten über wenigstens eine elektrische Schaltvorrichtung zu dem Energieeinheitenverbund parallel geschaltet werden. Dadurch kann die Gesamtkapazität des Energieeinheitenverbundes an einem Zweipol zur Verfügung gestellt werden, wobei an dem Zweipol eine elektrische Verbrauchereinheit anschließbar ist. Vorteilhafterweise werden die einzelnen Energieeinheiten in dem Moment parallel gestaltet, sobald eine vorgegebene Spannungsdifferenz ΔU erreicht wird. Damit kann ein Spannungsbereich abgedeckt werden, in dem die einzelnen Energieeinheiten parallel geschaltet werden können. Je nach Ausführung der einzelnen Energieeinheiten kann dieser Bereich variieren. Dies liegt im Ermessen der in dem Energieverbund erlaubbaren Ausgleichsströme. Im Falle, dass keine Ausgleichsströme zwischen den zu parallel schaltenden Energieeinheiten erlaubt sind, kann natürlich festgelegt werden, dass keine Spannungsdifferenz zwischen den parallel zu schaltenden Energieeinheiten existieren darf.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Strombegrenzer über einen Ausgleichsstrompfad aktivierbar ist. Dieser Ausgleichsstrompfad kann als separate Stromleitung ausgeführt sein, in der ein Schaltelement in Reihe mit dem Strombegrenzer liegen kann. Das Schaltelement wird vorteilhafterweise durch die Kontrolleinheit angesteuert, so dass der Strombegrenzer nach Vorgabe der Kontrolleinheit zu- oder abgeschaltet werden kann. Der besondere Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass die möglich abgebbare gespeicherte elektrische Energie der Energieeinheiten an die Verbrauchereinheit über den Zweipol nicht durch den Strombegrenzer verringert wird. Der Strombegrenzer, der als elektrischer Widerstand ausgebildet sein kann, begrenzt damit nicht den Wirkungsgrad der Schaltung bei Abgabe von Energie an die elektrische Verbrauchereinheit. Ein Laststrom kann also direkt von den parallel geschalteten Energieeinheiten zu der elektrischen Verbrauchereinheit fließen, wobei natürlich auch nur die Energie einer Energieeinheit an den Zweipol zur Verfügung gestellt werden kann.
Es ist vorteilhaft, dass die elektrische Verbrauchereinheit eine Leistungseinheit mit wenigstens einem zweiten Energiespeicher aufweist, wobei der zweite Energiespeicher durch den Energieeinheitenverbund über den Strombegrenzer vorladbar ist. Die verbauten Verbrauchereinheiten in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug können als zweite Energiespeicher Kondensatoren, insbesondere Doppelschicht-Kondensatoren wie z. B. Goldcaps, Supercaps, Boostcaps oder Ultracaps aufweisen. Diese Doppelschicht-Kondensatoren weisen eine hohe Energiedichte und/oder Leistungsdichte auf. Natürlich können auch alle anderen Arten von Kondensatoren in der Verbrauchereinheit verbaut werden. Im Falle, dass die Kondensatoren in der Verbrauchereinheit noch nicht geladen sind, wirken sie jedoch im Moment des Zusammenschaltens mit dem Energieeinheitenverbund kurzzeitig wie ein Kurzschluss. Dies kann einen extrem hohen Entnahmestrom aus dem Energieeinheitenverbund zur Folge haben. Um sowohl die Kondensatoren als auch den Energieeinheitenverbund vor einer übermäßigen Belastung zu schützen, kommt der Strombegrenzer zum Einsatz, der den abzugebenden Vorladestrom an die Kondensatoren regelt. Damit wird sicher gewährleistet, dass es nicht zur Beschädigung der Verbrauchereinheit und/oder des Energieeinheitenverbundes kommen kann. Dabei kann ein Widerstand als einfachstes Beispiel eines Strombegrenzers zum Einsatz kommen, aber auch eine elektronische Schaltung, die durch die Kontrolleinheit steuerbar ist. Zudem ist es vorstellbar, dass der Vorladestrom von der Kontrolleinheit mitprotokolliert wird, so dass bei der Erreichung eines bestimmten Ladezustandes der Kondensatoren der Strombegrenzer aus dem Energieeinheitenverbund abgeschaltet und der Energieeinheitenverbund direkt mit der elektrischen Verbrauchereinheit verbunden werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Schaltvorrichtung ein Relais, insbesondere ein Schütz oder ein Halbleiterbauelement aufweist. Durch diese Bauelemente können hohe Schaltströme geschaltet werden. Zudem ist eine Ansteuerung des Relais oder des Halbleiterbauelementes ferngesteuert möglich. Durch die Benutzung von Relais, insbesondere von Schützen kann gewährleistet werden, dass der Steuerstromkreis von dem Laststromkreis galvanisch getrennt ist. Die Benutzung von Halbleiterbauelementen kann den Anforderungen von schnellen Schaltzyklen genügen. Zudem sind für den Einsatz von Halbleiterbauelementen Thyristoren und/oder IGBTs denkbar, mit denen kleine, mittlere oder hohe Leistungen schaltbar sind. IGBTs bieten den Vorteil einer nahezu leistungsfreien Ansteuerung, verfügen über eine hohe Vorwärtssperrspannung von ungefähr 6 kV und können Ströme bis zu 3 kA schalten. Thyristoren können dabei Ströme bis zu 6 kA und Spannungen bis zu 8 kV schalten und bieten den Vorteil eines hohen Sperrwiderstandes. Beide Halbleiterbauelemente, Thyristoren und IGBTs, bieten zudem den Vorteil eines geringen Raumbedarfs, kleine Durchlasswiderstände, absolute Wartungsfreiheit und den Vorteil, dass keine Funkenbildung entsteht. Das Zünden und/oder Löschen der Thyristoren und/oder die Ansteuerung der IGBTs kann dabei mit der Kontrolleinheit erfolgen, welche insbesondere eine Rechnereinheit mit einer Schnittstelle sein kann, mit der die elektrischen Schaltvorrichtungen gesteuert werden können. Auch die Einbindung der Rechnereinheit in einem Bussystem wie z. B. LIN, CAN oder FlexRay ist dabei denkbar.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Spannungswert der Messvorrichtung kabelgebunden oder drahtlos, insbesondere kapazitiv, induktiv oder per Funk zur Kontrolleinheit übertragbar ist. Damit können drahtlose und/oder drahtgebundene Lösungen entstehen. Bei den drahtgebundenen Lösungen kann ein Datenkabel mit einer Abschirmung zur Geltung kommen, so dass elektromagnetische Störeinflüsse von außen weitestgehend abgeschirmt werden können. Bei den drahtlosen Technologien ist es besonders vorteilhaft, dass der sonst benötigte Verdrahtungsaufwand, wie dieser bei den drahtgebundenen Systemen existiert, entfällt. Zudem können Technologien herangezogen werden, die über einen großen Sendeempfangsradius verfügen. Hier können Technologien wie z. B. Bluetooth, Infrared Data Association (IrDA), ZigBee, Near Field Communication (NFC), Wireless Local Area Network (WLAN), WiMAX, Technologien nach einem Standard der IEEE 802, Wibree, FireWire, USB, Wireless USB, induktive Datenübertragung oder eine kapazitive Datenübertragung zum Einsatz kommen.
Zudem ist es denkbar, dass der erste Energiespeicher ein Kondensator oder eine wideraufladbare Batterie ist. Dabei kann es sich bei dem Kondensator um einen Doppelschichtkondensator handeln, der sich durch seine hohe Energiedichte auszeichnet. Bei der wideraufladbaren Batterie kann es sich aus in Serie geschalteten Zellen, bzw. Modulen handeln. Durch die hohe Energiedichte, die diese Energiespeicher haben, können auch elektrische Komponenten betrieben werden, die hohe Leistungsanforderungen besitzen. Zudem können kurzzeitig angeforderte Leistungsspitzen der elektrischen Verbrauchereinheit abgedeckt werden. Da es sich bei der elektrischen Verbrauchereinheit um einen elektrischen Motor und/oder einen Generator oder eine kombinierte Generator/Motor-Einheit handeln kann, kann die vom Generator erzeugte Energie zumindest teilweise wieder dem ersten Energiespeicher zugefügt werden. Auch ist der Einsatz von Brennstoffzellenstapeln als erster Energiespeicher denkbar.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Kontrolleinheit eine Rechnereinheit oder einen Mikrokontroller aufweist. Durch die Rechnereinheit können Betriebsparameter des Energieeinheitenverbundes, insbesondere die Spannungswerte der einzelnen Energieeinheiten durchgängig erfasst werden. Eine Auswertung und eine Analyse der Betriebsparameter ist ebenso möglich, wie auch die logische Verknüpfung von verschiedenen Betriebsparametern zur Ansteuerung der elektrischen Schaltvorrichtungen. Weiterhin können zusätzliche Betriebsparameter wie z. B. die Temperatur und/oder die Stromstärke in jedem elektrischen Stromkreis in dem Energieeinheitenverbund ermittelt werden. Die Werte der Betriebsparameter können in einem Speicher, der an die Rechnereinheit gekoppelt ist, gespeichert werden. So können auch statistische Aussagen über den Betriebszustand des Energieeinheitenverbundes getroffen werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Kraftfahrzeug ein serielles Bussystem, insbesondere einen CAN-Bus (Controller Area Network) aufweist, wobei die Kontrolleinheit durch den seriellen Bus steuerbar ist. Da in Kraftfahrzeugen häufig serielle Bussysteme zum Einsatz kommen, ist es vorteilhaft, dass das serielle Bussystem die Daten über die Kontrolleinheit abfragen kann. Zudem ist es denkbar, dass das Bussystem der Kontrolleinheit Daten übermitteln kann, die für einen optimalen Betrieb des Energieeinheitenverbundes auch mit dem Betrieb der elektrischen Verbrauchereinheit übermittelt werden können. Zudem kann die Kontrolleinheit als Zwischenpuffer für die registrierten Daten des Energieeinheitenverbundes dienen, so dass diese Daten dem seriellen Bus in definierten Zeitabschnitten übermittelt werden können. Da serielle Bussysteme zu den Feldbussen gehören, können insbesondere Feldbusse der Norm IEC 61158, in der die Feldbusse standardisiert sind, verwendet werden.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, dass jeder durch die Schaltvorrichtungen schaltbare elektrische Stromkreis eine Überstromschutzeinrichtung aufweist. Damit können wirkungsvoll die Stromkreise gegen zu hohe Ströme abgesichert werden. Das Auftreten von zu hohen Strömen, wie diese z. B. durch einen Kurzschluss oder auch durch einen zu hohen Entnahmestrom entstehen können, kann durch eine Überstromschutzeinrichtung wirksam verhindert werden, welche sonst eine Zerstörung des Energieeinheitenverbundes, insbesondere der einzelnen Energieeinheiten zur Folge haben könnte.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Überstromschutzeinrichtung eine Schmelzsicherung, eine elektronische Sicherung, eine selbstrückstellende Sicherung oder dergleichen ist. Durch diese Bauelemente können verschiedene Anwendungsfälle abgebildet werden. So ist z. B. die Schmelzsicherung, welche mechanisch aus dem Schaltkreis entfernt und neu eingesetzt werden muss, eine sichere Methode dem Nutzer des Energieeinheitenverbundes auf den Defekt hinzuweisen. Andererseits können elektronische oder selbstrückstellende Sicherungen eine sinnvolle Möglichkeit darstellen, die Ausfallsicherheit des Energieeinheitenverbundes zu erhöhen, da durch diese die unterbrochenen Schaltkreise selbsttätig wieder geschlossen werden können.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten, die jeweils einen ersten Energiespeicher aufweisen, zu einem Energieeinheitenverbund in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Verbrauchereinheit, wobei der Spannungswert jeder Energieeinheit durch eine Messvorrichtung ermittelt wird. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Spannungswert der entsprechenden Energieeinheit einer Kontrolleinheit übermittelt wird, wobei die Kontrolleinheit im Falle einer Spannungsdifferenz zwischen den Energieeinheiten die Spannungen der Energieeinheiten über einen Strombegrenzer auf eine gleiche Spannungsebene angleicht, wobei dieser Vorgang durch die Kontrolleinheit kontrolliert wird und nach der erfolgten Spannungsangleichung die Energieeinheiten über wenigstens eine elektrische Schaltvorrichtung zu dem Energieeinheitenverbund parallel geschaltet werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass vor der Nutzung der Energieeinheiten in einem Energieeinheitenverbund die Gesamtkapazität der einzelnen Energieeinheiten zur Verfügung gestellt werden kann. Im Falle einer größeren Spannungsdifferenz in dem Energieeinheitenverbund werden diese zunächst vor der Energieentnahme auf eine Spannungsebene angeglichen, so dass eine Angleichung der Energieeinheiten während der Energieentnahme aus dem Energieeinheitenverbund zur Kapazitätserhöhung nicht erfolgen muss, wodurch ein einfacher Aufbau des Energieeinheitenverbundes und damit eine deutliche Kostenreduzierung ermöglicht werden kann. Zudem wird vor der Entnahme von Energie aus dem Energieeinheitenverbund eine sichere und stabile Zusammenschaltung von mehreren Energieeinheiten vorgenommen, so dass das Risiko einer Fehlfunktion in dem Energieeinheitenverbund dadurch wirkungsvoll verhindert werden kann. Zudem ist die Trennung einer Energieeinheit aus dem Energieeinheitenverbund nicht kritisch, da sämtliche Energieeinheiten die gleiche Spannung aufweisen. Aufwendige Kontrollmechanismen in elektronischer als auch mechanischer Form zur Absicherung des gefahrlosen Betriebes des Energieeinheitenverbundes können dadurch entfallen.
Besonders vorteilhaft ist, dass die elektrische Verbrauchereinheit eine Leistungseinheit mit wenigstens einem zweiten Energiespeicher aufweist, wobei der zweite Energiespeicher durch den Energieeinheitenverbund über den Strombegrenzer vorgeladen wird. Damit kann ein zu hoher Entnahmestrom aus dem Energieeinheitenverbund im Falle von entladenen Kondensatoren verhindert werden, da diese kurzzeitig zu Beginn des Ladevorganges einen elektrischen Kurzschluss darstellen. Der Strombegrenzer verhindert wirkungsvoll, dass eine Beschädigung der Schaltkreise innerhalb des Energieeinheitenverbundes erfolgt. Dadurch kann ein sicherer Betrieb des Energieeinheitenverbundes und der elektrischen Verbrauchereinheit ermöglicht werden. Zudem werden die elektronischen Bauelemente, insbesondere die Kondensatoren geschont, was eine erhöhte Lebensdauer dieser elektronischen Bauteile mit sich bringt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass nach erfolgter Aufladung des zweiten Energiespeichers der Leistungseinheit der Strombegrenzer durch die Schaltvorrichtung abgeschaltet und der Energieeinheitenverbund direkt mit der Verbrauchereinheit verbunden wird. Dadurch kann wirkungsvoll die Verlustleistung des Energieeinheitenverbundes verringert werden. Außerdem kann ungehindert auf die Gesamtkapazität des Energieeinheitenverbundes durch die elektrische Verbrauchereinheit zugegriffen werden. Ebenfalls wird dadurch die Lebensdauer des Strombegrenzers erhöht, da keine ungewollte Verlustleistung an dem Strombegrenzer abfällt.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenfalls gelten die offenbarten Merkmale aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. In den Zeichnungen ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Energieeinheitenverbundes mit einer elektrischen Verbrauchereinheit,
2 ein Flussdiagramm zur Angleichung von Spannungen einzelner Energieeinheiten und
3 ein Flussdiagramm zur Vorladung von in der elektrischen Verbrauchereinheit gekoppelten Energiespeicher.
In der 1 ist schematisch ein Schaltbild eines Energieeinheitenverbundes 30 dargestellt. Der Energieeinheitenverbund 30 weist dabei mehrere Energieeinheiten 10 auf, die über elektrische Schaltvorrichtungen 24 parallel geschaltet werden können. An jeder Energieeinheit 10 ist dabei parallel eine Messvorrichtung 14 angeschlossen, über die die Spannungen der einzelnen Energieeinheiten 10 ermittelt werden können. Die ermittelten Spannungswerte können über eine Datenverbindung 28 zu einer Kontrolleinheit 20 übermittelt werden. Die Übermittlung der Werte kann dabei kabelgebunden oder drahtlos erfolgen. Bei der drahtlosen Übermittlung kann z. B. der Bluetooth-Standard zum Einsatz kommen. Bei den kabelgebundenen Lösungen kommen vor allem abgeschirmte Kabel in Betracht, so dass elektromagnetische Störeinflüsse von außen weitestgehend abgeschirmt werden können. Zudem bietet eine kabelgebundene Lösung den Vorteil, dass hierüber auch die Messvorrichtungen mit Energie versorgt werden können. Ebenso ist es denkbar, dass in jedem Strompfad ein in Reihe geschaltetes Strommessgerät zum Einsatz kommen kann, das ebenfalls über die Datenverbindung 28 die erfassten Werte an die Kontrolleinheit 20 übermitteln kann. Jeder Stromkreis weist darüber hinaus eine Überstromschutzeinrichtung 23 auf. Diese kann als Schmelzsicherung, als elektronische oder selbst rückstellende Sicherung ausgeführt sein. Der Zugang zu den einzelnen Sicherungen kann in einem Sicherungsautomaten zur Verfügung gestellt werden, der sich auch außerhalb des Energieeinheitenverbundes 30 befinden kann. Damit ist in einem Servicefall, das heißt im Falle eines Defektes der Überstromschutzeinrichtung 23, diese für einen Servicetechniker erreichbar, ohne dass ein direkter Zugang zu dem Energieeinheitenverbund existieren muss. Ebenso ist es vorstellbar, dass die Überstromschutzeinrichtung 23 über eine Datenverbindung mit der Kontrolleinheit 20 verbindbar ist. Damit können über die Kontrolleinheit 20, die an ein serielles Bussystem angeschlossen sein kann, Informationen über den Zustand der Überstromschutzeinrichtung 23 übermittelt werden. Dies bietet den Vorteil, dass im Falle einer Auslösung der Überstromschutzeinrichtung 23 dem Benutzer des Energieeinheitenverbundsystems 30 die Auslösung der betreffenden Überstromschutzeinrichtung 23 z. B. über ein Display oder akustisch mitgeteilt werden kann. Im Falle, dass die einzelnen Energieeinheiten 10 unterschiedliche Spannungen aufweisen, können diese über elektrische Schaltvorrichtungen 24 über einen Strombegrenzer 22 auf eine Spannungsebene angeglichen werden. Der Strombegrenzer 22 liegt dabei in einem Ausgleichsstrompfad 29. Dazu sind eine Überstromschutzeinrichtung 23 und ein Schaltelement 24.4, welches über eine Datenverbindung 28 mit der Kontrolleinheit 20 in Verbindung steht, in Reihe geschaltet. Dazu müssen die einzelnen elektrischen Schaltvorrichtungen 24 nach einem bestimmten Verfahren, das anhand der Flussdiagramme in den 2 und 3 beschrieben wird, geschaltet werden. Weiterhin weist der Energieeinheitenverbund 30 einen Zweipol 26 auf, an dem eine elektrische Verbrauchereinheit 12 angeschlossen werden kann.
Die 2 stellt ein Flussdiagramm dar, in dem das Verfahren zum Abgleich von unterschiedlichen Spannungen der einzelnen Energieeinheiten 10 dargestellt wird. Initial werden in einem ersten Schritt 39 alle elektrischen Schaltvorrichtungen 24 geöffnet. In einem Schritt 40 wird zunächst über die Kontrolleinheit 20 ermittelt, ob die Spannungen der Energieeinheit 10.1 und der Energieeinheit 10.2 eine Differenz aufweisen. Im Falle, dass die Spannung U₁ der Energieeinheit 10.1 von der Spannung U₂ der Energieeinheit 10.2 differiert und sich oberhalb eines bestimmten Differenzspannungswertes befindet, werden in einem Schritt 42 die elektrischen Schaltvorrichtungen 24.4, 24.7 und 24.2 geschlossen. Damit werden die unterschiedlichen Spannungen der Energieeinheit 10.1 und 10.2 über den Strombegrenzer 22 angeglichen. Die Kontrolleinheit 20 ermittelt fortlaufend die Spannungsdifferenz und kann die registrierten Werte gegebenenfalls in einem Speicher, der flüchtig als auch nichtflüchtig ausgestaltet sein kann, speichern. Wird keine oder eine unterhalb eines bestimmten Differenzspannungswertes Spannungsdifferenz durch die Kontrolleinheit 20 registriert, so wird in einem Schritt 44 die elektrische Schaltvorrichtung 24.1 geschlossen und die elektrische Schaltvorrichtung 24.4 geöffnet. Damit ist die Energieeinheit 10.1 mit der Energieeinheit 10.2 parallel geschaltet. So dann wird durch die Kontrolleinheit 20 ermittelt, ob eine Spannungsdifferenz oberhalb eines Differenzspannungswertes zwischen der Energieeinheit 10.2, welches dem Spannungsniveau der Energieeinheit 10.1 entspricht, und der Energieeinheit 10.3 vorliegt. Sollte dies der Fall sein, so wird in einem Schritt 46 die elektrische Schaltvorrichtung 24.5 geschlossen, so dass die Spannung U₃ der Energieeinheit 10.3 an die Spannung der Energieeinheiten 10.1 und 10.2, welche die gleiche Spannungsebene aufweisen, über den Strombegrenzer 22 angeglichen wird. Wenn die Spannungen U₁ der Energieeinheit 10.1 und U₂ der Energieeinheit 10.2 und U₃ der Energieeinheit 10.3 gleich sind oder sich unterhalb eines bestimmten Differenzspannungswertes befinden, so wird in einem Schritt 48 die elektrische Schaltvorrichtung 24.5 geöffnet und die elektrische Schaltvorrichtung 24.3 geschlossen. Dieser Vorgang zum Parallelschalten von Energieeinheiten kann für beliebig viele Energieeinheiten 10 durchgeführt werden, wobei nach diesem Prinzip lediglich zwei elektrische Schaltvorrichtungen zum Angleich der Spannung der zusätzlichen Energieeinheit benötigt werden. Der Differenzspannungswert, bei dem die Energieeinheiten 10 parallel geschaltet werden können, kann dabei so gewählt werden, wie Ausgleichsströme zwischen den Energieeinheiten 10 akzeptiert werden können. Je niedriger der Differenzspannungswert gesetzt wird, desto niedriger fällt dementsprechend der Ausgleichsstrom zwischen den Energieeinheiten aus. Im Idealfall fließt kein Ausgleichstrom, wenn zum Zeitpunkt der Parallelschaltung ohne Strombegrenzer die Spannungen der Energieeinheiten die gleiche Spannungsebene aufweisen. Damit haben alle Energieeinheiten die gleiche Spannung und können an eine elektrische Verbrauchereinheit 12 über einen Zweipol 26 angeschlossen werden. Zur Entnahme von elektrischer Energie aus dem. Energieeinheitenverbund 30 kann dann die elektrische Schaltvorrichtung 24.6 geschlossen werden.
In der 3 ist ein Flussdiagramm zur Vorladung von Energiespeichern dargestellt. Dabei knüpft das Verfahren direkt an das Verfahren wie im Flussdiagramm der 2 dargestellt an. Dazu wird in dem Schritt 60 die elektrische Schaltvorrichtung 24.4 geschlossen und 24.7 geöffnet. In einem zweiten Schritt 62 wird die elektrische Schaltvorrichtung 24.6 geschlossen, wobei der zweite Energiespeicher der elektrischen Verbrauchereinheit 12 geladen wird. Im Falle, dass die Spannung U_V des Energieeinheitenverbundes 30 gleich der Spannung U_E des elektrischen Verbrauchers 12 ist, wird in einem Schritt 64 die elektrische Schaltvorrichtung 24.7 geschlossen und die elektrische Schaltvorrichtung 24.4 geöffnet. Damit ist der Energieeinheitenverbund 30 direkt mit der elektrischen Verbrauchereinheit 12 gekoppelt. Somit ist der Energieeinheitenverbund 30, welcher sich in einem Kraftfahrzeug befindet sicher mit allen Energieeinheiten 10 verbunden worden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird damit eine sichere Parallelschaltung von unabhängigen Energiespeichern offenbart. Selbst in dem Falle, dass die Kontrolleinheit 20 die elektronischen Schaltvorrichtungen 24 fehlerhaft ansteuern sollte, wodurch zu hohe ungewollte Ströme entstehen könnten, schützen die Überstromschutzeinrichtungen 23 in den einzelnen Stromkreisen sowohl den Energieeinheitenverbund 30 als auch die elektrische Verbrauchereinheit 12. Zudem können durch das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb des Energieeinheitenverbundes 30 defekte Energieeinheiten 10 durch die Kontrolleinheit 20 mit den Messvorrichtungen 14 detektiert werden, die dann durch die elektrischen Schaltvorrichtungen 24 aus dem Energieeinheitenverbund ausgeschlossen werden können. Dennoch bleibt in diesem Fall das Spannungsniveau im Kraftfahrzeug gleich.
Bezugszeichenliste

10: Energieeinheit
12: Verbrauchereinheit
14: Messvorrichtung
20: Kontrolleinheit
22: Strombegrenzer
23: Überstromschutzeinrichtung
24: Schaltvorrichtung
26: Zweipol
28: Datenverbindung
29: Ausgleichsstrompfad
30: Energieeinheitenverbund

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009019531 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard der IEEE 802 [0010]
Norm IEC 61158 [0013]

Claims

Vorrichtung zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten (10), die jeweils einen ersten Energiespeicher aufweisen, zu einem Energieeinheitenverbund (30) in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Verbrauchereinheit (12), wobei der Spannungswert jeder Energieeinheit (10) durch eine Messvorrichtung (14) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswert der entsprechenden Energieeinheit (10) einer Kontrolleinheit (20) übermittelbar ist, wobei die Kontrolleinheit (20), im Falle einer Spannungsdifferenz zwischen den Energieeinheiten (10), die Spannungen der Energieeinheiten (10) über einen Strombegrenzer (22) auf eine gleiche Spannungsebene angleicht, wobei dieser Vorgang durch die Kontrolleinheit (20) kontrollierbar ist und nach der erfolgten Spannungsangleichung die Energieeinheiten (10) über wenigstens eine elektrische Schaltvorrichtung (24) zu dem Energieeinheitenverbund (30) parallel schaltbar sind und elektrische Energie des Energieeinheitenverbundes (30) über zumindest einen Zweipol (26) an die elektrische Verbrauchereinheit (12) abgebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (22) über einen Ausgleichsstrompfad (29) aktivierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbrauchereinheit (12) eine Leistungseinheit mit wenigstens einem zweiten Energiespeicher aufweist, wobei der zweite Energiespeicher durch den Energieeinheitenverbund (30) über den Strombegrenzer (22) vorladbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (24) ein Relais, insbesondere ein Schütz oder ein Halbleiterbauelement aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswert der Messvorrichtung kabelgebunden oder drahtlos, insbesondere kapazitiv, induktiv oder per Funk, zur Kontrolleinheit (20) übertragbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schaltvorrichtung (24) über die Kontrolleinheit steuerbar ist, wobei die Steuerung kabelgebunden oder drahtlos, insbesondere kapazitiv, induktiv oder per Funk, erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher ein Kondensator oder eine wiederaufladbare Batterie ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (20) eine Rechnereinheit oder einen Mikrocontroller aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug ein serielles Bussystem, insbesondere einen CAN-Bus (Controller Area Network) aufweist, wobei die Kontrolleinheit (20) durch den seriellen Bus steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder durch die Schaltvorrichtungen (24) schaltbare elektrische Stromkreis eine Überstromschutzeinrichtung (23) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromschutzeinrichtung (23) eine Schmelzsicherung, eine elektronische Sicherung, eine selbstrückstellende Sicherung oder dergleichen ist.
Verfahren zum Parallelschalten von wenigstens zwei Energieeinheiten (10), die jeweils einen ersten Energiespeicher aufweisen, zu einem Energieeinheitenverbund (30) in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Verbrauchereinheit (12), wobei der Spannungswert jeder Energieeinheit (10) durch eine Messvorrichtung (14) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswert der entsprechenden Energieeinheit (10) einer Kontrolleinheit (20) übermittelt wird, wobei die Kontrolleinheit (20), im Falle einer Spannungsdifferenz zwischen den Energieeinheiten (10), die Spannungen der Energieeinheiten (10) über einen Strombegrenzer (22) auf eine gleiche Spannungsebene angleicht, wobei dieser Vorgang durch die Kontrolleinheit (20) kontrolliert wird und nach der erfolgten Spannungsangleichung die Energieeinheiten (10) über wenigstens eine elektrische Schaltvorrichtung (24) zu dem Energieeinheitenverbund (30) parallel geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbrauchereinheit (12) eine Leistungseinheit mit wenigstens einem zweiten Energiespeicher aufweist, wobei der zweite Energiespeicher durch den Energieeinheitenverbund über den Strombegrenzer (22) vorgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Aufladung des zweiten Energiespeichers der Leistungseinheit der Strombegrenzer (22) durch die Schaltvorrichtung abgeschaltet und der Energieeinheitenverbund (30) direkt mit der Verbrauchereinheit (12) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, welches durch eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 betrieben wird.