DE102011011798A1 - Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers für ein Fahrzeug sowie entsprechender Energiespeicher, Spannungsversorgung und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (3) wird beschrieben. Dabei umfasst der Energiespeicher (3) mehrere Energiespeicherblöcke (6), wobei jeweils eine Spannung an zwei Anschlüssen (26, 27) jedes Energiespeicherblocks (6) abgreifbar ist. Ein Spannungsabfall zwischen den zwei Anschlüssen (26, 27) eines jeweiligen Energiespeicherblocks (6) für mindestens einen Energiespeicherblock (6) wird unabhängig von einem Betriebszustand des mindestens einen Energiespeicherblocks (6) über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder ung gehalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um einen Energiespeicher für ein Fahrzeug zu betreiben, sowie einen entsprechend ausgestalteten Energiespeicher, eine entsprechend ausgestaltete Stromversorgung für ein Fahrzeug und ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug.
  • Die DE 10 2006 005 334 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung, Steuerung oder Regelung der Spannung einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers.
  • Die DE 202 20 547 U1 offenbart ein Batterieladegerät zum Laden mehrerer wiederaufladbarer Batterien, welche in Serie geschaltet sind.
  • Die EP 1 014 533 A2 beschreibt eine Batterielade-Technik, bei welcher individuelle Zelllade-/Umgehungs-Einheiten eingesetzt werden.
  • Bei heutigen Elektrofahrzeugen ist zur Absicherung des Niedervolt-Bordnetzes typischerweise ein Niedervolt-Energiespeicher mit einem hohen Energiegehalt (beispielsweise eine Bleibatterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie) verbaut. Während des normalen Fahrbetriebs des Fahrzeugs wird das Niedervoltnetz durch das Hochvoltnetz über einen Gleichspannungswandler versorgt, so dass der Niedervolt-Energiespeicher über das Hochvoltnetz geladen werden kann. Im Stand des Fahrzeugs oder bei Ausfall des Hochvoltnetzes genügt der Energiegehalt des Niedervolt-Energiespeichers um Komfortfunktionen des Fahrzeugs, wie beispielsweise ein Radio, oder um Sicherheitsfunktionen, wie beispielsweise eine elektromechanische Lenkung des Fahrzeugs, zu betreiben.
  • In 1 ist eine solche Kombination eines Hochvoltnetzes 1 und eines Niedervoltnetzes 2, welche über einen Gleichspannungswandler 4 miteinander gekoppelt sind, nach dem Stand der Technik dargestellt. Im Hochvoltnetz 1 ist ein Hochvolt-Energiespeicher 3 angeordnet, bei welchem die elektrische Energie durch Energiespeicherblöcke 6 gespeichert wird. Diese Energiespeicherblöcke 6 können über Leistungsschütze 5 von dem Hochvoltnetz 1 getrennt werden, was durch eine Steuerung BMS des Energiespeichers 3 gesteuert wird. Parallel zu dem Hochvoltnetz-Energiespeicher 3 liegen eine Klimaanlage 11, ein Pulswechselrichter 12, welcher mit einem Elektromotor M des Fahrzeugs in Verbindung steht, und weitere Hochvolt-Verbraucher. Das Niedervoltnetz 2 wird von einer Niedervolt-Batterie 13 mit elektrischem Strom versorgt und speist eine Servolenkung 14, ein Radio 10 des Fahrzeugs und weitere Niedervolt-Verbraucher. Über den Gleichspannungswandler versorgt das Hochvoltnetz 1 (insbesondere der Hochvolt-Energiespeicher 3) das Niedervoltnetz 2 und damit den Niedervolt-Energiespeicher 13 mit elektrischem Strom.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Versorgung des Niedervoltnetzes durch das Hochvoltnetz sicherer zu gestalten, als dies nach dem Stand der Technik der Fall ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach Anspruch 1, durch einen Energiespeicher nach Anspruch 5, durch eine Spannungsversorgung nach Anspruch 12 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers, insbesondere eines Hochvoltnetz-Energiespeichers, bereitgestellt. Dabei umfasst der Energiespeicher mehrere Energiespeicherblöcke, welche selbst eine oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen können. Bei jedem Energiespeicherblock ist eine Spannung an zwei Anschlüssen dieses Energiespeicherblocks abgreifbar. Eine Spannung, welche zwischen den zwei Anschlüssen eines jeweiligen Energiespeicherblocks anliegt, wird für mindestens einen Energiespeicherblock (besser für alle Energiespeicherblöcke) unabhängig von einem Betriebszustand des mindestens einen Energiespeicherblocks über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter einer vorbestimmten positiven Schwellenspannung gehalten.
  • Mit anderen Worten sorgt die vorliegende Erfindung dafür, dass die Spannung des mindestens einen Energiespeicherblocks, welche über den zwei Anschlüssen des jeweiligen Energiespeicherblocks abgegriffen werden kann, entweder
    • • über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung oder
    • • unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung oder
    • • sowohl über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung als auch unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung gehalten wird.
  • Wenn es sich bei dem mindestens einen Energiespeicherblock um alle Energiespeicherblöcke des Energiespeichers handelt, sorgt die vorliegende Erfindung dafür, dass die Spannung, welche zwischen den zwei Anschlüssen jedes Energiespeicherblocks abgreifbar ist, unabhängig von dem Betriebszustand des jeweiligen Energiespeicherblocks über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung gehalten wird. Anders ausgedrückt garantiert die vorliegende Erfindung, dass auch bei einem fehlerhaften Energiespeicherblock die Spannung, welche an den zwei Anschlüssen dieses fehlerhaften Energiespeicherblocks abgegriffen wird, über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung liegt.
  • Dabei liegt die vorbestimmte negative Schwellenspannung vorzugsweise im Bereich von –1,5 V bis –0,5 V, und die vorbestimmte positive Schwellenspannung liegt vorzugsweise im Bereich von UB bis UB +50 V. UB entspricht dabei einer maximalen Energieblockspannung im normalen bzw. fehlerfreien Betrieb.
  • Indem durch die vorliegende Erfindung garantiert wird, dass bei einem fehlerhaften Energiespeicherblock die Spannung trotzdem über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung liegt, bedeutet der Ausfall eines Energiespeicherblocks oder von wenigen Energiespeicherblöcken nicht mehr, dass der entsprechende Hochvolt-Energiespeicher das Niedervoltnetz nicht mehr versorgen kann. Dadurch wird durch die vorliegende Erfindung die Versorgung des Niedervoltnetzes durch das Hochvoltnetz vorteilhafterweise sicherer oder zuverlässiger.
  • Um die Spannung oder den Spannungsabfall an den zwei Anschlüssen eines fehlerhaften Energiespeicherblocks über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung zu halten, können die beiden Anschlüsse des fehlerhaften Energiespeicherblocks anderweitig (d. h. mittels einer anderen elektrischen Einrichtung) überbrückt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform stellt der Energiespeicher eine Hochvoltspannung bereit. Mittels eines Gleichspannungswandlers wird der Energiespeicher als Spannungsversorgung für ein Niedervoltnetz des Fahrzeugs eingesetzt.
  • Wie bereits vorab ausgeführt ist, sorgt die vorliegende Erfindung dafür, dass der Energiespeicher auch mit fehlerhaften Energiespeicherblöcken noch in der Lage ist, die Spannungsversorgung des Niedervoltnetzes über den Gleichspannungswandler zu gewährleisten.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Energiespeicher für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst der Energiespeicher mehrere Energiespeicherblöcke. Der Energiespeicher ist derart aufgebaut, dass bei jedem Energiespeicherblock an zwei Anschlüssen des Energiespeicherblocks eine jeweilige Spannung des entsprechenden Energiespeicherblocks abgreifbar ist. Darüber hinaus umfasst der Energiespeicher mehrere Absicherungseinheiten, wobei jeweils eine dieser Absicherungseinheiten parallel zu mindestens einem der Energiespeicherblöcke (besser parallel zu allen Energiespeicherblöcken) geschaltet ist. Jede Absicherungseinheit sorgt dafür, dass eine Spannung, welche an den zwei Anschlüssen des jeweiligen Energiespeicherblocks, zu welchem die jeweilige Absicherungseinheit parallel angeordnet ist, abgegriffen wird, unabhängig von dem Betriebszustand des jeweiligen Energiespeicherblocks über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter einer vorbestimmten positiven Schwellenspannung gehalten wird.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichers entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb auf das vorab beschriebene verwiesen wird.
  • Eine der Absicherungseinheiten kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die Absicherungseinheit in einem Normalzustand (d. h der Energiespeicherblock, welchen die Absicherungseinheit absichert, arbeitet fehlerfrei) einen höheren Widerstand aufweist, als wenn der entsprechende Energiespeicherblock einen fehlerhaften Betriebszustand aufweist.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Absicherungseinheit eine Diode, eine Zenerdiode oder eine Suppressordiode umfasst, welche entgegen der Flussrichtung parallel zu dem Energiespeicherblock, welchen die Absicherungseinheit absichert, geschaltet ist.
  • Dabei wird unter einer Suppressordiode eine Diode verstanden, deren Strom-Spannungs-Charakteristik und deren Aufbau einer Zenerdiode ähneln. Die Suppressordiode und die Zenerdiode unterscheiden sich vor allem darin, dass die Suppressordiode eine steilere Kennlinie bei großen Strömen besitzt. Die Spannung steigt bei sehr hohen Strömen noch weniger an als bei einer Zenerdiode. Darüber hinaus hat eine Suppressordiode gegenüber einer Zenerdiode ein höheres Ableitvermögen. Die Integrationszeit einer Suppressordiode liegt in der Regel im Bereich von Nanosekunden.
  • Eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Absicherungseinheit besteht darin, dass die Absicherungseinheit einen Schalter umfasst. Bei dieser Variante umfasst der Energiespeicher eine Steuerung, die Betriebszustände der mit einer Absicherungseinheit versehenen Energiespeicherblöcke zu erfassen. Wenn die Steuerung einen solchen Energiespeicherblock als fehlerhaft erfasst, steuert die Steuerung den Schalter, welcher parallel zu diesem fehlerhaften Energiespeicherblock liegt, an, um den Schalter durchzuschalten und damit den fehlerhaften Energiespeicherblock zu umgehen oder kurzzuschließen.
  • Ein Energiespeicherblock kann eine oder mehrere Energiespeicherzellen umfassen, wobei diese Energiespeicherzellen für den einzelnen Energiespeicherblock nach folgenden Verschaltungskonstellationen verschaltet sein können:
    • • Konstellation 1: Die Energiespeicherzellen sind in Form von mehreren Reihenschaltungen angeordnet, wobei diese Reihenschaltungen parallel geschaltet sind und jede der Reihenschaltungen dieselbe Anzahl von Energiespeicherzellen aufweist.
    • • Konstellation 2: Die Energiespeicherzellen sind in Form nur einer Reihenschaltung geschaltet.
    • • Konstellation 3: Die Energiespeicherzellen sind parallel geschaltet, d. h. jede Energiespeicherzelle liegt parallel zu den anderen Energiespeicherzellen.
    • • Konstellation 4: Es existiert nur eine Energiespeicherzelle. D. h. bei dieser Konstellation umfasst der Energiespeicherblock nur eine Energiespeicherzelle.
    • • Die Energiespeicherzellen sind in mehreren Gruppen angeordnet, welche in Reihe geschaltet sind. Dabei weisen die Energiespeicherzellen jeder dieser Gruppen eine der vorab genannten Konstellationen auf, wobei die Energiespeicherzellen einer dieser Gruppen eine andere oder dieselbe Konstellation wie eine andere dieser Gruppen aufweist. Mit anderen Worten können die einzelnen Gruppen dieselbe Konstellation oder unterschiedliche Konstellationen aufweisen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Spannungsversorgung für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Spannungsversorgung ein Hochvoltnetz, ein Niedervoltnetz, einen Gleichspannungswandler und einen Energiespeicher zur Spannungsversorgung des Hochvoltnetzes. Das Niederspannungsnetz wird über den Gleichspannungswandler mit Spannung aus dem Hochvoltnetz versorgt. Bei dem Energiespeicher handelt es sich um den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Energiespeicher.
  • Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Spannungsversorgung eine Steuerung, einen Schalter und einen weiteren Gleichspannungswandler. Mittels des Schalters ist der Energiespeicher von dem Hochvoltnetz trennbar. Wenn die Steuerung Fehler im Hochvoltnetz (beispielsweise Kurzschlüsse, Isolationsfehler, usw.) erfasst, trennt die Steuerung den Energiespeicher von dem Hochvoltnetz und damit von dem Gleichspannungswandler mittels des Schalters. Die Spannungsversorgung des Niedervoltnetzes erfolgt in diesem Fall über den weiteren Gleichspannungswandler. Dabei kann die Spannungsversorgung des Niedervoltnetzes auch im Normalfall über den weiteren Gleichspannungswandler erfolgen.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird der Energiespeicher im Fehlerfall vom Hochvoltnetz getrennt, um eventuelle Beschädigungen des Energiespeichers oder der Absicherungseinheiten zu vermeiden. Um dennoch für den Fall, dass der Energiespeicher von dem Hochvoltnetz getrennt ist, das Niedervoltnetz mit Spannung zu versorgen, existiert der weitere Gleichspannungswandler, über welchen das Niedervoltnetz mit Spannung von dem Energiespeicher auch dann versorgt wird, wenn der Energiespeicher von dem Hochvoltnetz getrennt ist.
  • Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen erfindungsgemäßen Energiespeicher und/oder eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung umfasst.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Fahrzeuge mit einem Elektromotor, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsfall eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen oder gleisgebundenen und spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung prinzipiell auch außerhalb eines Fortbewegungsmittels, beispielsweise zur Energieversorgung eines Niedervoltnetzes im Haushalt, einsetzbar.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
  • 1 stellt nach dem Stand der Technik ein Hochvoltnetz und ein Niedervoltnetz dar, welche über einen Gleichspannungswandler gekoppelt sind.
  • In 2 ist die erfindungsgemäße Spannungsversorgung eines Niedervoltnetzes dargestellt.
  • In 3 ist ein erfindungsgemäßer Energiespeicher dargestellt
  • 4 zeigt erfindungsgemäß verschiedene interne Verschaltungen von Energiespeicherzellen für einen Energiespeicherblock.
  • In 5 sind verschiedene Varianten für eine Absicherungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • 6 zeigt erfindungsgemäß verschiedene Varianten für eine Anordnung von Energiespeicherblöcken und entsprechenden Absicherungseinheiten.
  • In 7 sind weitere Varianten für eine Absicherungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • In 8 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug dargestellt, welches eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher aufweist.
  • Die in 2 dargestellte Spannungsversorgung 20 eines Niedervoltnetzes 2 umfasst neben dem Niedervoltnetz 2 ein Hochvoltnetz 1, welches über einen Gleichspannungswandler 4 mit dem Niedervoltnetz 2 verbunden ist. Im Normalfall wird das Hochvoltnetz 1 mit Spannung aus einem Energiespeicher 3 versorgt. Mit dem Hochvoltnetz 1 ist eine Klimaanlage 11, ein Pulswechselrichter 12, welcher elektrisch mit einem Elektromotor M verbunden ist, und gegebenenfalls weitere Hochvolt-Verbraucher gekoppelt. Der Energiespeicher 3 speichert seine elektrische Energie mittels Energiespeicherblöcken 6, welche ihrerseits jeweils mehrere Energiespeicherzellen umfassen. Über Leistungsschütze 5 kann eine Steuerung BMS des Energiespeichers 3 den Energiespeicher 3 von dem Hochvoltnetz 1 trennen.
  • Um auch in diesem Fall (wenn der Energiespeicher 3 von dem Hochvoltnetz 1 getrennt ist) einen sicheren Betrieb des Niedervoltnetzes 2 zu gewährleisten, umfasst der Energiespeicher 3 einen weiteren Gleichspannungswandler 9. Über diesen weiteren Gleichspannungswandler 9 ist bei Ausfall des Hochvoltnetzes 1 oder bei Ausfall des eigentlichen Gleichspannungswandlers 4 weiterhin eine sichere Versorgung des Niedervoltnetzes 2 mit elektrischer Energie gegeben.
  • Da die Versorgung des Niedervoltnetzes 2 mit elektrischer Energie von dem Hochvolt-Energiespeicher 3 sicherer ist als nach dem Stand der Technik, kann vorteilhafterweise ein Niedervoltnetz-Energiespeicher 13' mit einem geringeren Energiegehalt zur Notfallversorgung und/oder zur Pufferung des Niedervoltnetzes 2 eingesetzt werden. Dadurch können auch kurze Spitzenströme im Niedervolt-Netz 2, welche über die Leistung der Gleichspannungswandler 4, 9 hinausgehen, gepuffert werden und verhindern damit einen Spannungseinbruch. Beispielsweise kann ein solcher Niedervolt-Energiespeicher 13' einen Doppelschicht-Kondensator (z. B. Ultracaps), kleine Lithium-Ionen-Batterien oder kleine Bleibatterien umfassen, wodurch im Vergleich zum Stand der Technik der Niedervolt-Energiespeicher 13' wesentlich leichter, Platz sparender und preiswerter ausgeführt werden kann.
  • Bei Einsatz eines hochverfügbaren bzw. ausfallsicheren Hochvoltnetz-Energiespeichers ist sichergestellt, dass immer einer der beiden Gleichspannungswandler das Niedervoltnetz mit Energie aus dem Hochvoltnetz-Energiespeicher versorgt. In diesem Fall muss der Niedervolt-Energiespeicher lediglich die Pufferung kurzer Spitzenströme und übernehmen.
  • In 3 ist ein solcher hochverfügbarer erfindungsgemäßer Hochvolt-Energiespeicher 3 dargestellt. Bei diesem Energiespeicher 3 wird die Energie mittels dreier Energiespeicherblöcke 6 gespeichert, welche in Form einer Reihenschaltung angeordnet sind. Parallel zu jedem Energiespeicherblock 6 ist eine Absicherungseinheit 22 angeordnet. Die Aufgabe der Absicherungseinheit 22 besteht darin, je nach Ausfallszenario des Energiespeicherblocks 6 die Gesamtverfügbarkeit einer Mindestspannung und einer Mindestleistung des Energiespeichers 3 sicherzustellen.
  • Der Gleichspannungswandler 4 kann alternativ auch dauerhaft (wie der weitere Gleichspannungswandler 9) mit den Energiespeicherblöcken 6 verbunden sein, wobei sich der Gleichspannungswandler 4 dabei innerhalb oder außerhalb des Energiespeichergehäuses befinden kann.
  • Ein Energiespeicherblock 6 umfasst eine oder mehrere Energiespeicherzellen 24, welche in verschiedenen Konstellationen angeordnet sein können, wie es in 4 dargestellt ist.
  • In 4a umfasst der Energiespeicherblock 6 mehrere Reihenschaltungen der gleichen Anzahl von Energiespeicherzellen 24, wobei die Reihenschaltungen parallel geschaltet sind, so dass jede Reihenschaltung zwischen dem Plus-Pol 26 und dem Minus-Pol 27 des Energiespeicherblocks 6 angeordnet ist.
  • In 4b umfasst der Energiespeicherblock 6 mehrere Energiespeicherzellen 24, welche in Form nur einer Reihenschaltung zwischen dem Plus-Pol 26 und dem Minus-Pol 27 des Energiespeicherblocks 6 angeordnet sind.
  • In 4C umfasst der Energiespeicherblock 6 mehrere Energiespeicherzellen 24, welche parallel angeordnet sind, so dass jede Energiespeicherzelle 24 zwischen dem Plus-Pol 26 und dem Minus-Pol 27 des Energiespeicherblocks 6 angeordnet ist.
  • Bei der in 4d dargestellten Konstellation umfasst der Energiespeicherblock 6 nur eine Energiespeicherzelle 24, welche elektrisch mit dem Plus-Pol 26 und dem Minus-Pol 27 des Energiespeicherblocks 6 verbunden ist.
  • Bezüglich einer Energiespeicherzelle 24 existieren u. a. folgende Ausfallszenarien:
    • Die Energiespeicherzelle 24 weist einen internen Kurzschluss auf, welchem meist eine hohe Wärmeentwicklung innerhalb der Energiespeicherzelle 24 folgt.
    • • Die Energiespeicherzelle 24 arbeitet aufgrund einer vorhergehenden Tiefentladung fehlerhaft.
    • • Die Energiespeicherzelle 24 weist eine interne Unterbrechung oder einen hohen Innenwiderstand auf.
  • Prinzipiell können die Energiespeicherblöcke 6 dieselben Ausfallszenarien wie eine Energiespeicherzelle aufweisen.
  • Insbesondere bei einer Reihenschaltung der Energiespeicherblöcke 6 innerhalb des Energiespeichers 3, wie es in 3 dargestellt ist, ist das Ausfallszenario, welches für einen hohen Innenwiderstand sorgt, als am kritischsten zu bewerten, da dabei der Stromkreis quasi unterbrochen wird, so dass weder dem Gleichspannungswandler 4 noch dem Gleichspannungswandler 9 die für eine erfolgreiche Wandlung erforderliche Leistung zur Verfügung steht. Um dieses Ausfallszenario zu verhindern, existieren die parallel zu dem jeweiligen Energiespeicherblock 6 angeordneten Absicherungseinheiten 22.
  • In 5 sind verschiedene Varianten für jeweils eine Absicherungseinheit dargestellt.
  • Die einfachste Variante stellt die in 5a dargestellte Diode 21 dar, welche in Sperrrichtung parallel zu dem abzusichernden Energiespeicherblock 6 angeordnet wird. Im Normalbetrieb sperrt die Diode 21 bedingt durch die positive Spannung über dem fehlerfrei arbeitenden Energiespeicherblock 6. Wird im Fehlerfall der parallel zur Diode 21 liegende Energiespeicherblock 6 hochohmig oder weist eine interne Unterbrechung auf, würde bedingt durch die Leistungsentnahme an dem Energiespeicher 3 die Spannung über dem defekten Energiespeicherblock 6 negativ. In diesem Fall begrenzt die Diode 21 die negative Spannung auf die Flussspannung UF der Diode 21, welche beispielsweise bei betragsmäßig 0,7 V liegt. Damit würde die Spannung an dem Energiespeicher lediglich um die Summe der Spannung über dem Energiespeicherblock 6 im fehlerfreien Fall und der Flussspannung UF sinken. Bei einer genügend großen Anzahl von Energiespeicherblöcken 6 in Reihenschaltung wäre damit weiterhin eine sichere Versorgung des Niedervoltnetzes gewährleistet. Je nach Anzahl der Energiespeicherblöcke 6 und dem Typ des Gleichspannungswandlers 4, 9 können zwei, drei oder mehr Energiespeicherblöcke 6 defekt sein, ohne dass die Energieversorgung des Niedervoltnetzes durch den Energiespeicher 3 unterbrochen wird.
  • Eine weitere Variante für eine Absicherungseinheit ist in 5b in Form einer Suppressordiode 22 dargestellt, welche ähnlich wie die Diode 21 in Sperrrichtung parallel zu dem abzusichernden Energiespeicherblock 6 angeordnet wird. Neben der normalen Dioden-Funktionalität besitzt eine Suppressordiode 22 die Eigenschaft, die mögliche Maximalspannung über der Suppressordiode 22 und damit über dem von der Suppressordiode 22 geschützten Energiespeicherblock 6 zu begrenzen. Diese Suppressordiode 22 ist demnach in der Lage, die Spannung über dem entsprechenden Energiespeicherblock 6 über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und unter einer vorbestimmten positiven Schwellenspannung zu halten. Bei einer geeigneten Wahl der Kombination aus Suppressordiode 22 und Energiespeicherblock 6 (insbesondere der Anzahl der zwischen den Polen des Energiespeicherblocks 6 angeordneten Energiespeicherzellen 24) ist durch den Einsatz der Suppressordiode 22 sogar bei einem fehlerhaften Energiespeicherblock 6 eine Rekuperation mit Hilfe des Energiespeichers 3 möglich. Durch die Begrenzung der Maximalspannung über dem fehlerhaften Energiespeicherblock 6 mittels der Suppressordiode 22 wird nämlich eine unzulässig hohe Gesamtspannung des Energiespeichers 3 vermieden, welche zu einer Zerstörung von an dem Hochvoltnetz 1 angeschlossenen Hochvolt-Komponenten führen kann. Alternativ kann auch eine Zenerdiode anstelle der Suppressordiode 22 eingesetzt werden.
  • Auch eine Parallelschaltung aus Diode 21 und Suppressordiode 22, wie sie in 5c dargestellt ist, kann vorteilhafterweise eingesetzt werden. Auch bei dieser Variante werden sowohl die Diode 21 als auch die Suppressordiode 22 jeweils in Sperrrichtung parallel zu dem abzusichernden Energiespeicherblock 6 angeordnet.
  • Als weitere Variante kann die Absicherungseinheit einen Schalter 23 umfassen, welcher über ein Steuersignal 25 geschaltet wird, wie es in 5d dargestellt ist. Bei dieser Variante muss beispielsweise mit einer Steuerung BMS ein fehlerhafter Betriebszustand des abgesicherten Energiespeicherblocks 6 erfasst werden, um in diesem Falle den Schalter 23 durchgängig zu schalten, um den fehlerhaften Energiespeicherblock 6 abzuschalten oder kurzzuschalten.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die in 5 dargestellten Varianten nur Beispiele für erfindungsgemäß mögliche Absicherungseinheiten aufzeigen. Eine Absicherungseinheit im Sinn der vorliegenden Erfindung kann generell durch jedes Element gebildet werden, welches die Spannung über dem abzusichernden Energiespeicherblock 6 über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter einer vorbestimmten positiven Schwellenspannung halten kann. Dadurch kann der Energiespeicher 3 auch für den Fall, dass zumindest ein Energiespeicherblock 6 fehlerhaft arbeitet, genügend Spannung und Energie für den Betrieb eines der Gleichspannungswandler 4, 9 zur Verfügung stellen.
  • In 6 sind Varianten einer Anordnung von Energiespeicherblöcken 6 für einen erfindungsgemäßen Energiespeicher 3 dargestellt, wobei zumindest ein Teil der Energiespeicherblöcke 6 durch entsprechende Absicherungseinheiten 22 abgesichert wird. In 6a ist beispielsweise dargestellt, dass mit nur einer Absicherungseinheit 22 auch zwei in Reihe geschaltete Energiespeicherblöcke 6 abgesichert werden können. In 6b ist beispielhaft dargestellt, dass auch parallel angeordnete Energiespeicherblöcke 6 jeweils mit einer Absicherungseinheit 22 gesichert sein können.
  • Erfindungsgemäß kann auch ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung der Energiespeicherzellen 24 und/oder Energiespeicherblöcke 6 eingesetzt werden. Ein solches Batteriemanagementsystem kann beispielsweise Fehler in einer Energiespeicherzelle 24 und/oder in einem Energiespeicherblock 6 erfassen und in diesem Fall den Energiespeicher 3 vom Hochvoltnetz 1 trennen, indem einer oder beide Leistungsschütze 5 (siehe 2 und 3) geöffnet werden. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der weitere Gleichspannungswandler 9 im inneren Stromkreis angeordnet ist und nicht durch die Leistungsschütze 5 von dem Energiespeicher 3 getrennt wird.
  • Fehler im Hochvoltnetz 1 (beispielsweise Kurzschlüsse, Isolationsfehler, usw.) können automatisch von einer Steuerungseinheit (zum Beispiel der Steuerung BMS) erfasst werden. Diese Steuerungseinheit trennt in einem solchen Fehlerfall den Energiespeicher 3 vom Hochvoltnetz 1, indem einer oder beide Leistungsschütze 5 geöffnet werden, um Beschädigungen des Energiespeichers 3 oder auch der Absicherungseinheiten 22 zu vermeiden.
  • In 7 sind zwei weitere Varianten für eine Absicherungseinheit dargestellt.
  • Die in 7a dargestellte Absicherungseinheit umfasst eine Parallelschaltung aus einer Diode 21 und einem Schalter 23 sowie einen weiteren Schalter 23'. Dabei ist der weitere Schalter 23' in Reihe zu dem von der Absicherungseinheit abgesicherten Energiespeicherblock 6 angeordnet, so dass dieser Energiespeicherblock 6 von dem weiteren Schalter 23' zugeschaltet und abgeschaltet werden kann. Parallel zu dieser Reihenschaltung aus dem Energiespeicherblock 6 und dem weiteren Schalter 23' ist die Parallelschaltung aus der Diode 21 und dem Schalter 23 angeordnet.
  • Im normalen Betrieb (ohne Fehler im Energiespeicherblock 6) ist der Schalter 23 offen und der weitere Schalter 23' geschlossen, so dass der Energiespeicherblock 6 eingeschaltet ist und von der Diode 21 überwacht wird. Wenn die Spannung im Fehlerfall über dem Energiespeicherblock 6 negativ wird, begrenzt die Diode 21 die negative Spannung, wie es vorab mit Bezug auf 5a beschrieben ist. Die in 7a dargestellte Absicherungseinheit weist nun allerdings im Fehlerfall folgenden Vorteil gegenüber einer einfachen Diode 21 (siehe 5a) auf. Sobald der Fehlerfall von der Steuerung BMS erfasst wird, schließt diese Steuerung BMS den Schalter 23 und öffnet den Schalter 23', wodurch der fehlerhafte Energiespeicherblock 6 und auch die Diode 21 kurzgeschlossen sind. Als Untervariante ist eine Absicherungseinheit denkbar, welche nur die Diode 21 und den weiteren Schalter 23' (und nicht Schalter 23) umfasst. Auch bei dieser Untervariante ist vorteilhafterweise gewährleistet, dass im Fehlerfall (nach der Reaktionszeit) kein Strom mehr durch den fehlerhaften Energiespeicherblock 6 fließt.
  • In 7b ist eine weitere Variante einer Absicherungseinheit dargestellt, welche der in 7a dargestellten Variante ähnlich ist. Anstelle der beiden Schalter 23, 23' existiert bei der Variante der 7b ein Wechselschalter 28, welcher derart in Reihe mit dem Energiespeicherblock 6 angeordnet ist, dass ein erster Ausgang des Wechselschalters 28 mit einem Anschluss des Energiespeicherblocks 6 verbunden ist, während ein zweiter Ausgang des Wechselschalters 28 mit dem anderen Anschluss des Energiespeicherblocks 6 und dem Ausgang der Diode 21 verbunden ist. Der Eingang des Wechselschalters 28 ist mit dem Eingang der Diode 21 verbunden. Der Wechselschalter 28 weist die Funktionsweise der beiden Schalter 23, 23' auf. Im Normalbetrieb ist der Wechselschalter 28 derart geschaltet, dass der Energiespeicherblock 6 eingeschaltet ist und von der Diode 21 überwacht wird. Wenn die Spannung im Fehlerfall über dem Energiespeicherblock 6 negativ wird, begrenzt die Diode 21 die negative Spannung, wie es vorab mit Bezug auf 5a und 7a erläutert ist. Sobald der Fehlerfall von der Steuerung BMS erfasst wird, schaltet diese Steuerung BMS den Wechselschalter 28 um, wodurch der fehlerbehaftete Energiespeicherblock 6 und auch die Diode 21 kurzgeschlossen sind.
  • Bei allen in 7 dargestellten Varianten kann anstelle der Diode 21 auch eine Suppressordiode, eine Zenerdiode oder eine Parallelschaltung aus Suppressordiode und Diode (siehe 5c) eingesetzt werden.
  • Im Gegensatz zu den in den 3, 5 und 6 dargestellten Absicherungseinheiten 22, welche parallel zu dem abgesicherten Energiespeicherblock (den abgesicherten Energiespeicherblöcken 6) geschaltet sind, weisen die in 7 dargestellten Absicherungseinheiten noch zusätzlich die Funktion auf, im Fehlerfall den abgesicherten Energiespeicherblock 6 (die abgesicherten Energiespeicherblöcke 6) nach einer gewissen Reaktionszeit (in welcher die Steuerung BMS den Fehlerfall erfasst) kurzzuschließen und einen Stromfluss durch den abgesicherten Energiespeicherblock 6 (die abgesicherten Energiespeicherblöcke 6) zu unterbrechen.
  • 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10, welches eine erfindungsgemäße Spannungserzeugung 20 mit einem erfindungsgemäßen Hochvolt-Energiespeicher 3 aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung weist folgende Vorteile auf:
    • • Durch die Absicherungseinheiten 22 kann ein Elektrofahrzeug selbst bei einem Defekt eines oder sogar mehrerer Energiespeicherblöcke 6 (langsam) mit der Energie aus seinem teilweise defekten Energiespeicher 3 weiterfahren, um das Fahrzeug 10 beispielsweise aus einer Gefahrenzone bewegen zu können.
    • • Durch die Absicherungseinheiten 22 ist selbst bei einem Defekt eines Energiespeicherblocks 6 noch eine Rekuperation mit Hilfe des teilweise defekten Energiespeichers 3 möglich. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge, welche nur über mit dem Elektromotor zu betätigende Bremsen verfügen, sicherheitsrelevant.
    • • Durch den Einsatz eines Niedervolt-Energiespeichers 13' mit geringer Kapazität kann das Gesamtgewicht des Fahrzeugs 10 gesenkt, das Gesamtvolumen des Fahrzeugs 10 verringert und die Gesamtkosten des Fahrzeugs 10 können reduziert werden.
    • • Die Gesamtsystemausfallsicherheit und die Gesamtsystemverfügbarkeit können erhöht werden.
    • • Durch die Wahl entsprechender Niedervolt-Energiespeicher kann der Wartungsaufwand für die Niedervolt-Energiespeicher reduziert werden.
    • • Selbst bei einem Defekt eines Energiespeicherblocks 6 kann eine Weiterfahrt des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs gewährleistet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006005334 A1 [0002]
    • DE 20220547 U1 [0003]
    • EP 1014533 A2 [0004]

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (3), wobei der Energiespeicher (3) mehrere Energiespeicherblöcke (6) umfasst, wobei jeweils eine Spannung an zwei Anschlüssen (26, 27) jedes Energiespeicherblocks (6) abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsabfall zwischen den zwei Anschlüssen (26, 27) eines jeweiligen Energiespeicherblocks (6) für mindestens einen Energiespeicherblock (6) unabhängig von einem Betriebszustand des mindestens einen Energiespeicherblocks (6) über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter einer vorbestimmten positiven Schwellenspannung gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte negative Schwellenspannung im Bereich von –1,5 V bis –0,5 V liegt, und/oder dass die vorbestimmte positive Schwellenspannung in einem Bereich zwischen UB und UB +50 V liegt, wobei UB einer maximalen Spannung an den beiden Anschlüssen (26, 27) eines der Energiespeicherblöcke (6) im normalen Betriebszustand entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halten des Spannungsabfalls über der vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter der vorbestimmten positiven Schwellenspannung ein Überbrücken des mindestens einen Energiespeicherblocks (6) im Falle einer Fehlfunktion des mindestens einen Energiespeicherblocks umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) eine Hochvoltspannung bereitstellt, und dass der Energiespeicher (3) mittels eines Gleichspannungswandlers (4; 9) als Spannungsversorgung für ein Niedervoltnetz (2) des Fahrzeugs (10) eingesetzt wird.
  5. Energiespeicher für ein Fahrzeug (10), wobei der Energiespeicher (3) mehrere Energiespeicherblöcke (6) umfasst, wobei der Energiespeicher (3) derart ausgestaltet ist, dass jeweils eine Spannung an zwei Anschlüssen (26, 27) jedes Energiespeicherblocks (6) abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) darüber hinaus mehrere Absicherungseinheiten (21, 22, 23) umfasst, dass parallel zu mindestens einem der Energiespeicherblöcke (6) eine der Absicherungseinheiten (21, 22, 23) geschaltet ist, und dass die Absicherungseinheiten (21, 22, 23) derart ausgestaltet sind, dass die jeweilige Absicherungseinheit (21, 22, 23) eine Spannung, welche an den zwei Anschlüssen (26, 27) eines jeweiligen der Energiespeicherblöcke (6) abgegriffen wird, für den jeweiligen Energiespeicherblock (6) unabhängig von einem Betriebszustand des jeweiligen Energiespeicherblocks (6) über einer vorbestimmten negativen Schwellenspannung und/oder unter einer vorbestimmten positiven Schwellenspannung hält.
  6. Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absicherungseinheit (23) derart ausgestaltet ist, dass die Absicherungseinheit (23) in einem Normalzustand des entsprechenden Energiespeicherblocks (6) einen höheren Widerstand aufweist als in einem fehlerhaften Zustand des Energiespeicherblocks (6).
  7. Energiespeicher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absicherungseinheit eine Diode (21) umfasst, welche entgegen der Flussrichtung parallel zu dem jeweiligen Energiespeicherblock (6) geschaltet ist.
  8. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absicherungseinheit eine Suppressordiode (22) umfasst, welche entgegen der Flussrichtung parallel zu dem jeweiligen Energiespeicherblock (6) geschaltet ist.
  9. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absicherungseinheit einen Schalter (23) umfasst, dass eine Steuerung (BMS) des Energiespeichers (3) zur Erfassung des Betriebszustands der Energiespeicherblöcke (6) ausgestaltet ist, und dass der Energiespeicher (3) derart ausgestaltet ist, dass die Steuerung (BMS) den Schalter (23) durchschaltet, wenn die Steuerung (BMS) den Betriebszustand desjenigen Energiespeicherblocks (6), welcher parallel zu dem Schalter (23) angeordnet ist, als fehlerhaft erfasst.
  10. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 5–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicherblock (6) mindestens eine Energiespeicherzelle umfasst und eine von folgenden Verschaltungen bezüglich der mindestens einen Energiespeicherzelle (24) aufweist: • die mindestens eine Energiespeicherzelle (24) umfasst mehrere Energiespeicherzellen (24), wobei mehrere Reihenschaltungen von mehreren Energiespeicherzellen (24) parallel geschaltet sind, wobei jede Reihenschaltung dieselbe Anzahl von Energiespeicherzellen (24) aufweist, was einer ersten Konstellation entspricht, • die mindestens eine Energiespeicherzelle (24) umfasst mehrere Energiespeicherzellen (24), welche in Reihe geschaltet sind, was einer zweiten Konstellation entspricht, • die mindestens eine Energiespeicherzelle (24) umfasst mehrere Energiespeicherzellen (24), welche in parallel geschaltet sind, was einer dritten Konstellation entspricht, • die mindestens eine Energiespeicherzelle (24) umfasst genau eine Energiespeicherzelle (24), was einer vierten Konstellation entspricht, und • die mindestens eine Energiespeicherzelle (24) umfasst mehrere Energiespeicherzellen (24), wobei diese Energiespeicherzellen (24) in mehreren Gruppen angeordnet werden, welche in Reihe geschaltet sind, wobei die Energiespeicherzellen (24) jeder der Gruppen eine der vorab genannten Konstellationen aufweist.
  11. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 5–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–4 ausgestaltet ist.
  12. Spannungsversorgung für ein Fahrzeug (10), wobei die Spannungsversorgung (20) ein Hochvoltnetz (1), ein Niedervoltnetz (2), einen Gleichspannungswandler (4) und einen Energiespeicher (3) zur Spannungsversorgung des Hochvoltnetzes (1) umfasst, und wobei das Niedervoltnetz (2) über den Gleichspannungswandler (4) mit Spannung versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher der Energiespeicher (3) nach einem der Ansprüche 5–11 ist.
  13. Spannungsversorgung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (20) eine Steuerung (BMS), mindestens einen Schalter (5) und einen weiteren Gleichspannungswandler (9) umfasst, dass der Energiespeicher (3) mit Hilfe des mindestens einen Schalters (5) von dem Hochvoltnetz (1) trennbar ist, dass die Spannungsversorgung (20) derart ausgestaltet ist, dass die Steuerung (BMS) den Energiespeicher (3) von dem Hochvoltnetz (1) und damit von dem Gleichspannungswandler (4) mittels des Schalters (5) trennt, wenn die Steuerung (BMS) einen Betriebszustand des Hochvoltnetzes (1) als fehlerhaft erfasst, und dass die Spannungsversorgung (20) das Niedervoltnetz (2) über den weiteren Gleichspannungswandler (9) mit Spannung von dem Energiespeicher (3) versorgt.
  14. Fahrzeug mit einem Energiespeicher (3) nach einem der Ansprüche 5–9 und/oder mit einer Spannungsversorgung (20) nach Anspruch 12 oder 13.
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