DE102012203585A1

DE102012203585A1 - Konfigurierbare Akkumulatoreinheit und Verfahren zum Betreiben einer Akkumulatoreinheit

Info

Publication number: DE102012203585A1
Application number: DE102012203585A
Authority: DE
Inventors: Rainer Falk; Steffen Fries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-12
Also published as: WO2013131595A1

Abstract

Erläutert wird eine Akkumulatoreinheit (10), – mit einem ersten Akkumulator (Z4) und mit einem zweiten Akkumulator (Z5) – mit einer Auswahleinheit (14), die eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten der Akkumulatoreinheit (10) festlegt, und – mit einer an die Auswahleinheit gekoppelten Schalteinheit, die mit einer Parallelschaltung des in der ersten Betriebsart nicht benötigten zweiten Akkumulators (Z5) und des in der ersten Betriebsart benötigten ersten Akkumulators (Z4) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoreinheit, die einen ersten Akkumulator und einen zweiten Akkumulator enthält. Die Akkumulatoren können jeweils nur eine Zelle enthalten oder einen Zellstapel aus mehreren Zellen, bzw. aus diesen Elementen bestehen. Problematisch ist, dass beim Ausfall eines der Akkumulatoren die gesamte Akkumulatoreinheit ausfällt, was insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen problematisch ist.
Üblicherweise wird eine Akkumulatoreinheit mit vom Hersteller fest vorgegebenen Parametern hergestellt, wie Nennspannung, Ladekapazität, üblicherweise in Amperestunden (Ah) angegeben, Innenwiderstand, maximale Ladespannung, maximaler Ladestrom, maximale Entladespannung, maximaler Entladestrom, maximale Betriebstemperatur, minimale Betriebstemperatur, maximale Lagertemperatur, minimale Lagertemperatur etc. Diese fest vorgegebenen Parameter erschweren bspw. die Umsetzung von Batteriewechselkonzepten erheblich, insbesondere zwischen Transportmitteln verschiedener Hersteller oder verschiedener Transportmaschinentypen.
Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoreinheit:

– mit einem ersten Akkumulator und mit einem zweiten Akkumulator,
– mit einer Auswahleinheit, die eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten der Akkumulatoreinheit festlegt, und mit einer an die Auswahleinheit gekoppelten Schalteinheit, die mit einer Parallelschaltung des in der ersten Betriebsart nicht benötigten zweiten Akkumulators und des in der ersten Betriebsart benötigten ersten Akkumulators verbunden ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Akkumulatoreinheit:

– mit einem ersten Akkumulator und mit einem zweiten Akkumulator,
– und mit mindestens einer Schalteinheit, die eine Reihenschaltung des ersten Akkumulators und des zweiten Akkumulators ermöglicht und die in der Reihenschaltung das wahlweise Überbrücken des ersten Akkumulators oder des zweiten Akkumulators ermöglicht.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Akkumulatoreinheit:

– wobei mit Hilfe einer Auswahleinheit eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten festgelegt wird,
– wobei in einer zweiten Betriebsart ein in der ersten Betriebsart nicht benötigter Akkumulator zu einem in der ersten Betriebsart benötigten Akkumulator parallel geschaltet oder an dessen Stelle in einer Parallelschaltung geschaltet wird.

Es ist Aufgabe der Ausführungsbeispiele, eine einfach aufgebaute Akkumulatoreinheit anzugeben, die insbesondere Batteriewechselkonzepte unterstützt und die insbesondere sicherstellt, dass bei Ausfall eines einzelnen Akkumulators oder einer einzelnen Zelle die Akkumulatoreinheit noch betriebsfähig ist. Außerdem soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Akkumulatoreinheit gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst. Auch die Akkumulatoreinheit gemäß dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch löst diese Aufgabe. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoreinheit:

– mit einem ersten Akkumulator/Zelle und mit einem zweiten Akkumulator/Zelle,
– mit einer Auswahleinheit, die eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten der Akkumulatoreinheit festlegt, und mit einer an die Auswahleinheit gekoppelten Schalteinheit, die mit einer Parallelschaltung des in der ersten Betriebsart nicht benötigten zweiten Akkumulators/Zelle und des in der ersten Betriebsart benötigten ersten Akkumulators/Zelle verbunden ist.

Umgangssprachlich wird die Akkumulatoreinheit auch als Batterie bezeichnet, insbesondere als wieder aufladbare Batterie. Weiterhin wird umgangssprachlich und auch im Folgenden der Begriff Akkumulator oft durch den Begriff Akku abgekürzt.
Die Parallelschaltung bringt zahlreiche technische Wirkungen mit sich. So kann bei gleicher Spannung eine höhere Speicherkapazität, z. B. in Ah, und/oder ein kleinerer Innenwiderstand erreicht werden. Dies ist insbesondere für Batteriewechselkonzepte von Vorteil. Technische Vorteile ergeben sich aber auch dann, wenn ein Akkutyp für verschiedene Fahrzeugtypen verwendet werden kann und in diesen im Wesentlichen über mehrere Jahre verbleibt. So muss an Stelle mehrerer Akkutypen nur ein Akkutyp produziert werden.
Die Parallelschaltung ermöglicht aber ebenso auch das Ersetzen eines Akkumulators/Zelle durch einen anderen. Dies verhindert insbesondere beim Ausfall des zu ersetzenden Akkumulators einen Totalausfall der Akkumulatoreinheit. Jedoch kann das Ersetzen auch von Vorteil sein, wenn der zu ersetzende Akkumulator noch voll funktionsfähig ist, bspw. um Überhitzungen zu vermeiden oder um andere technische Wirkungen zu erzielen.
Abhängig von der Bauform der Einzel-Akkumulatoren können durch die Parallelschaltung kürzere Leitungen möglich werden im Vergleich bspw. zu einer entsprechenden Reihenschaltung. Ggf. können Schalter der Schalteinheit direkt auf die Pole der Akkumulatoren gesteckt werden, insbesondere wenn diese an einer Seite eines Blocks herausgeführt sind. Die Akkumulatorblöcke können bspw. so gestapelt werden, dass Pluspole auf der einen Seite und Minuspole auf der anderen Seite liegen.
Der erste Akkumulator hat vorzugsweise die gleichen Parameter wie der zweite Akkumulator, insbesondere die gleiche Nennspannung und die gleiche Ladekapazität. Dennoch kann durch die Verschaltung die Betriebsart der Akkueinheit gewechselt werden, so dass sich nach außen hin in den verschiedenen Betriebsarten Akkueinheiten mit voneinander verschiedenen Parametern realisieren lassen. Gleiche Parameter liegen insbesondere im Rahmen der Herstellertoleranzen vor, bspw. in einem Bereich von minus 10 Prozent oder 5 Prozent bis plus 10 Prozent oder 5 Prozent um einen Spezifikationswert bzw. Mittelwert.
Aber auch voneinander verschiedene Akkumulatoren werden verwendet, insbesondere beim Ersetzen, um bspw. in den Betriebsarten voneinander verschiedene Parameter einzustellen, bspw. voneinander verschiedene Nennspannungen.
Einer der Akkumulatoren bzw. beide Akkumulatoren können nur jeweils eine Zelle, zwei Zellen, drei Zellen, vier Zellen oder mehr als vier Zellen enthalten, bspw. mehr als 10 aber beispielsweise weniger als 300 Zellen. In diesem Zusammenhang wird auch von einem Zellstapel gesprochen. Eine Zelle enthält bspw. nur eine Anode und eine Kathode, an denen gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe und des verwendeten Elektrolyts eine Zellspannung anliegt, die bspw. kleiner als 5 Volt ist. Bei Lithium-Ionen Zellen ist die Zellspannung kleiner als 4 Volt. Bei anderen Zellen ist die Zellspannung sogar kleiner als 2 Volt. Mehrere Zellen werden üblicherweise in Reihe geschaltet, um größere Spannungen zu erzeugen.
In der zweiten Betriebsart können der erste Akkumulator und der zweite Akkumulator parallel geschaltet sein. Durch die Parallelschaltung lassen sich die Betriebsparameter der Akkumulatoreinheit auf einfache Art und Weise ändern. Im Gegensatz zu einer Reihenschaltung bleibt die Spannung gleich aber der Innenwiderstand verringert sich bzw. die Ladekapazität erhöht sich. Batteriewechselkonzepte werden unterstützt, bei denen die gleiche Akkumulatoreinheit mit verschiedenen Parametern verwendet wird, insbesondere für voneinander verschiedene Fahrzeugtypen.
Alternativ kann in der zweiten Betriebsart der zweite Akkumulator an Stelle des ersten Akkumulators verwendet werden. Bei gleichem Akkumulatortyp von erstem Akku und zweitem Akku kann das Ersetzen bspw. bei Ausfall des ersten Akkus erfolgen. Aber auch ein rotierender Betrieb kann angewendet werden, um im Fall eines Ausfalls eines der beiden Akkus den anderen im betriebsbereiten Zustand zu haben, d. h. insbesondere im aufgeladenen Zustand. Kleinere Abweichungen können durch die bekannten Ausgleichsmaßnahmen ausgeglichen werden, die unter dem Begriff ”Zellausgleich” bekannt sind.
Die Akkumulatoreinheit kann eine Empfangseinheit enthalten, über die von einer Fahrzeugsteuerung oder von einer anderen Steuerung Daten an die Auswahleinheit übermittelt werden können. So können von der Fahrzeugsteuerung Parameter vorgegeben werden. Weiterhin können gemäß einem vorgegebenen Protokoll auch Parameter zwischen der Steuerung und der Akkumulatoreinheit ausgehandelt werden, wobei am Ende ein Kompromiss zwischen den angefragten Parametern und den gelieferten Parametern stehen kann.
An Stelle einer Fahrzeugsteuerung kann die Anfrage bspw. auch von einem Lagerroboter kommen, bspw. über eine RFID Schnittstelle (Radio Frequency Identification). Bspw. fragt der Lagerroboter in regelmäßigen Abständen die Akkumulatoreinheiten ab, um Tiefentladungen zu vermeiden. Steht eine Tiefentladung bevor, so wird die betreffende Akkumulatoreinheit wieder aufgeladen.
Die Akkumulatoreinheit kann auch eine Sendeeinheit enthalten, um beispielsweise auf empfangene Daten zu reagieren. Insbesondere kann die Akkumulatoreinheit einen Akku-Identifier bzw. ein Kennzeichnungsdatum schicken, das die aktuell gültige Konfiguration der Akkumulatoreinheit und/oder die Akkumulatoreinheit selbst eindeutig kennzeichnet. Das die Konfiguration der Akkumulatoreinheit kennzeichnende Datum kann insbesondere verwendet werden, um Beschädigungen an Fahrzeugen zu vermeiden, die eine andere Konfiguration erwarten. Bspw. wird das Kennzeichen vor dem Einbau oder vor dem Start des Fahrzeugs abgefragt.
Die Empfangseinheit kann eine elektronische Entschlüsselungseinheit oder eine elektronische Signatureinheit enthalten. Beispiele für Verschlüsselungsalgorithmen sind symmetrische oder asymmetrische Algorithmen. Bei einer Verschlüsselung werden die zu übertragenden Daten elektronisch verschlüsselt bzw. codiert und beim Empfänger wieder entschlüsselt bzw. decodiert. So kann eine Verschlüsselung verwendet werden, die mit öffentlichem elektronischen Schlüssel und privatem elektronischen Schlüssel arbeitet. Es kann bei der Verschlüsselung darum gehen, die Integrität einer Konfiguration sicher zu stellen. Mittels der Verschlüsselung können bestimmte Daten der Konfiguration, z. B. lizenzbezogene Daten, verborgen werden, so dass schon die Struktur der Daten und erst recht deren Inhalte versteckt sind und so ein Missbrauch erschwert wird. Einige Daten können darüber hinaus auch einen Bezug zu geistigem Eigentum haben, so dass hier die Verschlüsselung als Know-How Schutz dienen kann.
Bei einer Signatur wird durch elektronische und administrative Maßnahmen sicher gestellt, dass der Absender die erforderliche Berechtigung hat, Daten zu senden. Die Signatureinheit kann das Vorliegen einer bestimmten digitalen Signatur zu den empfangenen Daten feststellen und die weitere Bearbeitung der Daten unterbinden, wenn die Signaturprüfung einen Missbrauch ergibt.
Eine besonders hohe Sicherheit bieten eine Verschlüsselung und eine digitale Signatur. Durch die Verwendung von Verschlüsselung und digitaler Signatur kann verhindert werden, dass die Akkumulatoreinheit unberechtigt konfiguriert wird. Auch kann sicher gestellt werden, dass nur Fachpersonal die Konfiguration vornimmt, da nur dieses die benötigten Schlüssel und Signaturen erhält. Auch besondere Lizenzmodelle lassen sich durch die Verwendung von Verschlüsselung und/oder Signatur durchsetzen.
Die Akkumulatoreinheit kann eine von den Polanschlüssen der Akkumulatoreinheit separate Datenleitung enthalten, die zu der Empfangseinheit führt. Damit ist eine fehlerfrei Datenübertragung auf einfache Art gewährleistet.
Alternativ kann die Empfangseinheit an einen Polanschluss oder an beiden Polanschlüssen der Akkumulatoreinheit angeschlossen sein. In diesem Fall ist keine separate Leitung erforderlich. Es können Modulationsverfahren verwendet werden, um Störungen der Datenübertragung zu vermeiden oder zu verringern, bspw. auf Grund von Spannungsspitzen.
Weiter alternativ kann die Empfangseinheit Daten über eine drahtlose Übertragungsstrecke empfangen, insbesondere auch über ein Mobilfunknetz, bspw. über eine Maschine zu Maschine Schnittstelle (Machine to Machine, M2M).
Die Empfangseinheit kann eine Web-Serviceeinheit und/oder eine Internetprotokolleinheit enthalten. Damit können verbreitete Protokolle verwendet werden, die eine hohe Akzeptanz der Akkumulatoreinheit gewährleisten. Web-Services sind z. B. in den Standards der Organisationen W3C (World Wide Web) und der OASIS (Organization for the Advancement of Structures Information Standards) festgelegt. So kann die Empfangseinheit bspw. gemäß XML arbeiten (eXtension Markup Language), d. h. einem Standard von W3C. Die Eigenleistung beim Programmieren kann durch die Nutzung vorhandener Datenkommunikationsdienste erheblich verringert werden. Es sind nur noch die Verfahren zum Erzeugen der zu übermittelnden Daten in Eigenleistung festzulegen aber nicht die Verfahren zum Übermitteln dieser Daten.
Die genannten Protokolle sind im Gegensatz zu proprietären Lösungen verbreiteter und werden damit auch von vielen anderen Firmen genutzt und sogar erwartet, z. B. von Fahrzeugherstellern. Damit kann die Akkumulatoreinheit in verschiedenen Fahrzeugtypen verwendet werden. Dies erleichtert die Akzeptanz eines Batterie- bzw. Akkuwechselkonzepts erheblich.
Das Internetprotokoll ist in den RFC's (Request For Comment) der IETF (Internet Engineering Task Force) festgelegt.
Die Datenübertragung zu der Empfangseinheit kann drahtgebunden, fasergebunden oder drahtlos erfolgen. Die Datenübertragung kann synchron oder asynchron erfolgen. Insbesondere werden Nachrichten bei der Datenübertragung verwendet, die in Datenübertragungsprotokollen vorgesehen sind, z. B. Ethernet-Protokoll gemäß IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.) 802.3, TCP/IP (Transmission Control Protocol)/(Internet Protocol) gemäß der RFCs (Request For Comment) der IETF (Internet Engineering Task Force).
Aber auch die in der Automobilindustrie gebräuchlichen Bussystem können verwendet werden, z. B.:

– einfach oder doppelt ausgeführter CAN-Bus (Controller Area Network),
– TTP (Time Triggered Protocol),
– TTE (Time Triggered Ethernet),
– PROFINET (PROcess FIeld NETwork) ggf. mit IRT (Isochronous Real Time), oder
– FlexRay-Bus.

Weiterhin können alternativ auch proprietäre Protokolle zur Datenübertragung zu der Empfangseinheit und von einer zugeordneten Sendeeinheit eingesetzt werden.
Die Auswahleinheit, z. B. eine automatische Auswahleinheit oder ein Kodierstecker, kann auch das Festlegen von mindestens einem, mindestens zwei, mindestens drei, mindestens vier oder aller der folgenden Parameter ermöglichen:

– Nennspannung der Akkumulatoreinheit,
– Kapazität der Akkumulatoreinheit,
– Innenwiderstand,
– maximaler Grenzwert vor dem Auslösen einer Sicherung,
– Begrenzung des maximalen Ladestroms,
– Begrenzung des maximalen Entladestroms.

Je mehr Parameter festgelegt bzw. ausgewählt werden können, umso höher ist die Flexibilität und um so besser kann bspw. ein Batteriewechselkonzept für voneinander verschiedene Fahrzeugtypen unterstützt werden.
Die Kapazität der Akkumulatoreinheit wird meist in Ah angegeben. Die Kapazität kann in der zweiten Betriebsart größer als in der ersten Betriebsart sein, z. B. um mindestens 20 Prozent, um mindestens 50 Prozent oder um mindestens 100 Prozent. Dies gilt insbesondere bei gleichbleibender Spannung an den beiden Spannungsklemmen bzw. Polen der Akkumulatoreinheit.
Der maximale Grenzwert vor dem Auslösen einer Sicherung betrifft bspw. den Maximalstrom beim Entladen, den Maximalstrom beim Laden oder die maximale Ladespannung.
Das Festlegen dieser Parameter kann auch als separate Lösung eingesetzt werden, d. h. bspw. unabhängig der Parallelschaltung der Akkumulatoren.
Die Akkumulatoreinheit kann auch einen dritten Akkumulator enthalten, wobei die Schalteinheit eine Reihenschaltung des ersten Akkumulators und des dritten Akkumulators ermöglicht und in der Reihenschaltung das wahlweise Ersetzen des ersten Akkumulators oder des dritten Akkumulators durch den zweiten Akkumulator ermöglicht. In der Reihenschaltung können auch mehr als zwei Akkumulatoren enthalten sein, die jeweils ersetzt werden können.
Eine erste Umschalteinheit kann zwischen einem ersten Anschluss der Reihenschaltung und einem ersten Pol des ersten Akkumulators sowie zwischen dem ersten Anschluss der Reihenschaltung und einem ersten Pol des zweiten Akkumulators liegen. Eine zweite Umschalteinheit kann zwischen einem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des ersten Akkumulators sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des zweiten Akkumulators liegen. Eine dritte Umschalteinheit kann zwischen dem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und einem ersten Pol des dritten Akkumulators sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und dem ersten Pol des zweiten Akkumulators liegen. Eine vierte Umschalteinheit kann zwischen einem zweiten Anschluss der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des dritten Akkumulators sowie zwischen dem zweiten Anschluss der Reihenschaltung und dem zweiten Pol des zweiten Akkumulators liegen.
Durch diese Verschaltung lässt sich eine vollständige Trennung der nicht verwendeten Akkumulatoren von der Reihenschaltung erreichen. Damit können besonders hohe Anforderungen an den Schutz von Personen oder Sachwerten erfüllt werden.
Wieder können auf die genannte Art auch mehr als zwei Akkumulatoren in der Reihenschaltung liegen. Es können auch mehr als zwei Akkumulatoren gleichzeitig in derselben Reihenschaltung ersetzt werden.
Die Umschalteinheit kann z. B. aus zwei elektronischen Leistungsschaltern bestehen oder diese enthalten, z. B. Feldeffekttransistoren (Field Effect Transistor, FET), MOSFET's (Metal Oxide Semiconductor FET), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), insbesondere elektronische Leistungsschalter mit denen sich bspw. Ströme von mehr als 1 Ampere, oder mehrer als 10 Ampere schalten lassen. Insbesondere werden zwei dieser Bauteile nach Art eines Wechselschalter bzw. Umschalters betrieben, zu denen die Akkumulatoren parallel liegen.
Die Umschalteinheiten können frei von Spulen sein, insbesondere frei von Drosselspulen.
Weiterhin wird eine Akkumulatoreinheit angeben:

– mit einem ersten Akkumulator und mit einem zweiten Akkumulator, und
– mit mindestens einer Schalteinheit, die eine Reihenschaltung des ersten Akkumulators und des zweiten Akkumulators ermöglicht und die in der Reihenschaltung das wahlweise Überbrücken des ersten Akkumulators oder des zweiten Akkumulators ermöglicht.

Der erste Akkumulator hat vorzugsweise die gleichen Parameter wie der zweite Akkumulator. Somit kann ein fehlerhafter Akkumulator überbrückt werden, ggf. unter vollständiger Trennung von den übrigen Akkumulatoren. Alternativ oder zusätzlich lassen sich die Parameter der Akkueinheit durch diese Vorgehen verändern, was insbesondere bei Batteriewechselkonzepten für voneinander verschiedene Fahrzeugtypen wichtig ist. Technische Vorteile ergeben sich aber auch wenn ein Akkutyp für verschiedene Fahrzeugtypen verwendet werden kann und in diesen im Wesentlichen über mehrere Jahre verbleibt. So muss an Stelle mehrerer Akkutypen nur ein Akkutyp produziert werden.
Besondere technische Wirkungen ergeben sich aber, wenn in einer Akkueinheit sowohl die Parallelschaltung als auch die Reihenschaltung mit Überbrückungsmöglichkeit vorhanden ist. Die Anzahl der einzustellenden Konfigurationen lässt sich so erheblich erhöhen. In diesem Fall werden der erste Akkumulator der Reihenschaltung vorzugsweise als dritter Akkumulator und der zweite Akkumulator der Reihenschaltung vorzugsweise als vierter Akkumulator bezeichnet. Der dritte Akkumulator kann dann vom ersten Akkumulator der Parallelschaltung und vom zweiten Akkumulator der Parallelschaltung verschieden sein. Ebenso kann der vierte Akkumulator dann vom ersten Akkumulator der Parallelschaltung und vom zweiten Akkumulator der Parallelschaltung verschieden sein.
Eine erste Überbrückungsverbindung kann für den ersten Akkumulator vorgesehen sein und eine zweite Überbrückungsverbindung kann für den zweiten Akkumulator vorgesehen sein, wobei die erste Überbrückungsverbindung und die zweite Überbrückungsverbindung vorzugsweise als separate Verbindungen ausgeführt sind. Damit kann es insbesondere keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Überbrückungsverbindung geben. Dies erhöht bspw. die elektrische Zuverlässigkeit der Akkumulatoreinheit.
Eine erste Umschalteinheit kann zwischen einem ersten Anschluss der Reihenschaltung und einem ersten Pol des ersten Akkumulators sowie zwischen dem ersten Anschluss der Reihenschaltung und der/einer ersten Überbrückungsverbindung liegen. Eine zweite Umschalteinheit kann zwischen einem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des ersten Akkumulators sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und der ersten Überbrückungsverbindung liegen. Eine dritte Umschalteinheit kann zwischen dem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und einem ersten Pol des zweiten Akkumulators sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten der Reihenschaltung und der/einer zweiten Überbrückungsverbindung liegen. Eine vierte Umschalteinheit kann zwischen einem zweiten Anschluss der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des zweiten Akkumulators sowie zwischen dem zweiten Anschluss der Reihenschaltung und der zweiten Überbrückungsverbindung liegen. Somit lässt sich wieder eine vollständige Trennung eines nicht benötigten, d. h. überblickten, Akkumulators erreichen, was die Einhaltung hoher Sicherheitsstandards ermöglicht.
Es könne auch hier mehr als zwei Akkumulatoren in einer Reihenschaltung liegen, die vorzugsweise einzeln überbrückt werden können.
Die Umschalteinheit kann z. B. aus zwei elektronischen Leistungsschaltern bestehen oder diese enthalten, zwei FET oder zwei MOSFET, zwei IGBT, o. ä. Es können insbesondere elektronische Leistungsschalter verwendet werden, mit denen sich bspw. Ströme von mehr als 1 Ampere, oder mehrer als 10 Ampere schalten lassen. Insbesondere werden zwei dieser Bauteile nach Art eines Wechselschalter bzw. Umschalters betrieben, zu denen eine Überbrückungsleitung und ein Akkumulator parallel liegen.
Die Auswahleinheit kann auch ein Kodierstecker sein, bspw. ein Kodierstecker, durch dessen elektrisch leitende Verbindungen, die Ströme zwischen Akkumulatoren der Akkumulatoreinheit fließen. Der Kodierstecker bestimmt in diesem Fall direkt die Verschaltung.
Alternativ kann der Kodierstecker so ausgebildet sein, dass dessen elektrisch leitende Verbindungen einer Steuereinheit die zu schaltenden Verbindungen vorgeben. In diesem Fall fließen durch den Kodierstecker nur vergleichsweise kleine Ströme, von bspw. kleiner als 100 Milliampere.
Die Varianten des Kodiersteckers werden auch als separate Lösung unabhängig von einer Parallelschaltung oder einer Überbrückungsmöglichkeit verwendet.
Die Auswahleinheit kann auch mit einem konfigurierbaren Stromrichter verbunden sein, der in der Akkumulatoreinheit vorhanden ist. Damit ist eine Feinabstufung der Konfiguration möglich. Der konfigurierbare Stromrichter ist bspw. ein durch Software programmierbarer DC/DC Wandler (Direct Current/Direct Current).
Aber auch ohne konfigurierbaren Stromrichter können schon viele Konfigurationen aufgrund der Parallelschaltung oder der Reihenschaltung verwirklicht werden, d. h. es ist eine Vielzahl von Akkumulatortypen einstellbar.
Der konfigurierbare Stromrichter kann auch als separate Lösung eingesetzt werden, d. h. unabhängig von Parallelschaltung und Überbrückungsmöglichkeit.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Akkumulatoreinheit kann mit Hilfe einer Auswahleinheit eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten festgelegt werden. In einer zweiten Betriebsart kann ein in der ersten Betriebsart nicht benötigter Akkumulator zu einem in der ersten Betriebsart benötigten Akkumulator parallel geschaltet oder an dessen Stelle in einer Parallelschaltung geschaltet werden. Damit gelten die oben für die Akkumulatoreinheit angegebenen technischen Wirkungen. Auch die in den Unteransprüchen und im nebengeordneten Vorrichtungsanspruch bzw. in dessen Unteransprüchen angegebenen Vorrichtungen werden durch entsprechende Verfahrensschritte realisiert, um die oben angegebenen technischen Wirkungen zu erzielen.
Bei einem weiteren Verfahren kann unabhängig oder zusätzlich von dem zuvor erwähnten Verfahren eine Auswahl mit Hilfe einer Auswahleinheit für eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten intern getriggert werden, insbesondere ein Ersatz oder ein Überbrücken von defekten Zellen.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird eine rekonfigurierbare Fahrzeugbatterie angegeben. Wieder aufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren unterliegen einer Alterung, z. B. bedingt durch die chemischen Prozesse, die bei der Energiespeicherung oder auch der Energieabgabe ablaufen. Ein Zellenausfall kann dann zu einem Komplettausfall des Akkumulators führen oder aber dessen elektrische Parameter beeinflussen, z. B. die Nennspannung herabsetzen. Eine Beschädigung eines Akkumulators kann ebenfalls zum Zellenausfall führen und damit den Akkumulator unbrauchbar für den jeweiligen Einsatzzweck machen.
Andere Einsatzszenarien werden durch variable elektrische Parameter, z. B. Nennspannung, begünstigt, insbesondere wenn ein Universalakkumulator in verschiedenen Elektrofahrzeugen mit unterschiedlicher elektrischer Anschlusscharakteristik verwendet werden soll, z. B. Versorgungsspannung, maximaler Ladestrom bzw. Entladestrom, vom Fahrzeug verwendete Ladealgorithmen, Kontaktbelegung.
Es besteht daher ein Bedarf an einem flexibel einsetzbaren Akkumulator.
Es wird vorgeschlagen, eine wieder aufladbare Batterie bzw. einen Akkumulator über Konfigurationseinstellungen, d. h. im Betrieb änderbare Parameter, und ein dazugehörige Managementsoftware re-konfigurierbar zu machen (Reconfigurable Battery/Software-defined Battery). Dies ermöglicht, dass sich der Akkumulator nach außen durch Software bzw. Hardware definierbar unterschiedlich verhalten kann. Mögliche elektrische Parameter der Batterie, die dadurch beeinflussbar sind, umfassen insbesondere die Nennspannung, die Kapazität, den Innenwiderstand, maximal zulässige Grenzwerte vor Auslösen einer Sicherung (Maximalstrom Entladen, Maximalstrom Laden, maximale Ladespannung) und/oder eine Begrenzung des maximalen Ladestroms oder Entladestroms.
Die elektrischen Eigenschaften sind rekonfigurierbar, indem einzelne Zellen unterschiedlich miteinander verschaltet werden können (Parallelschaltung oder Reihenschaltung bzw. Serienschaltung) und/oder durch konfigurierbare Stromrichter.
Eine Information über die aktuell konfigurierten elektrischen Eigenschaften bzw. den emulierten Batterietyp können in digitaler Form bereitgestellt werden (Batterie-Typ-Identifier). Bei einer intelligenten Batterie mit Datenschnittstelle zur Bereitstellung von Batteriezustandsdaten werden Batteriezustandsdaten entsprechend dem emulierten Batterietyp bereitgestellt. Diese werden abhängig von internen, tatsächlich vorhandenen Batteriezustandsdaten in inhaltlich entsprechende externe Batteriezustandsdaten übersetzt. Die Umsetzung kann z. B. durch eine Tabelle oder durch eine computerimplementierte Berechnungsvorschrift gegeben sein.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) kontinuierlich die Funktionalität der einzelnen Zellen überprüft, um defekte Zellen nach außen durch eine Umkonfiguration der Batterie zu verbergen. Damit können Defekte von einzelnen Zellen in einem bestimmten Rahmen ausgeglichen werden, so dass die Parameter des Akkumulators nach außen hin gleich bleiben. Hier wird die Batterie jedoch derart rekonfiguriert, dass sie ihre Nennkapazität unverändert aufweist. Insbesondere können Ersatz-Zellen initial nicht benutzt werden. Falls eine benutzte Zelle altert und defekt ist, so wird die Ersatzzelle stattdessen in den elektrischen Strompfad eingeführt. So kann eine Batterie über eine gewisse Nutzungsdauer eine bestimmte Nennkapazität aufweisen. Die anfangs physikalisch vorhandene höhere Kapazität wird durch Software reduziert, so dass sie auch bei Alterung oder Schädigung einzelner Zellen ausgeglichen werden: Für einen Nutzer verfügt die Batterie immer über 100% Kapazität. Das BMS bzw. die BMU kann dabei über eine Schaltmatrix o. ä. die guten Zellen aktiv schalten und die schlechten, defekten ausblenden. Dabei kann diese Matrix auf Einzelzellen-Basis beruhen oder für größere Bereiche aus zusammen geschalteten Zellen (Reihe) gebildet werden. Das BMS kann durch die Prüfung der internen Zellen eine Statusinformation zur Verfügung stellen, in welchem Bereich maximale Anpassungen möglich wären. Diese Statusinformation kann z. B. in einem Formatierungsmodus eines Akkumulators zur Verfügung stehen.
Die Konfigurationseinstellungen des Akkumulators können während der Produktion vorbelegt werden. Vor dem eigentlichen Einsatz wird dann die Konfiguration entsprechend des Einsatzzweckes adaptiert. Hierbei kann die Kommunikation mit dem Akkumulator drahtlos oder aber drahtgebunden, z. B. über den Anschluss-Stecker realisiert werden. Das BMS bzw. die BMU des Akkumulators kann Konfigurationsdaten z. B. in Form von XML Dateien erhalten. Der Akkumulator ist damit während des Betriebes entsprechend den Einsatzbedingungen konfigurierbar. Idealerweise erfolgt diese Konfiguration nur in einem bestimmten Betriebsmodus (Wartungsmodus). In einer anderen Variante detektiert die Batterie ihre Einsatzumgebung, z. B. den Typ des Fahrzeugs, in dem sie eingebaut ist. Darauf konfiguriert sich die Batterie selbständig in den diesem Fahrzeugtyp zugeordneten Betriebsmodus. Dies hat den Vorteil, dass eine Universalbatterie sich selbst rekonfiguriert, d. h. ohne explizite Konfiguration automatisch selbst die geeignete Betriebsart aktiviert. Diese Batterie kann dadurch durch nicht speziell geschultes Personal oder sogar durch Heimwerker selbst eingebaut werden. Es werden keine speziellen Konfigurationstools benötigt.
In einer Ausgestaltung sind diese Konfigurationsdaten digital signiert und können z. B. dazu genutzt werden ein Lizenzmodell durchzusetzen. Dies ermöglicht z. B. auch die temporäre Erhöhung der Kapazität eines Akkumulators und damit der Reichweite des Elektrofahrzeugs. Die Idee hier ist bspw., dass das Zuschalten weiterer Zellen nur dann erfolgt, wenn eine entsprechende Lizenz (Freischaltung) vorliegt. Dies kann u. a. auch temporär begrenzt sein, so dass man bspw. für den Urlaub eine Reichweitenerhöhung hat.
Re-konfigurierbare Batterien ermöglichen die Unterstützung von wechselbaren Fahrzeugbatterien (Z. B. das Konzept der Firma Better Place) oder Ersatzbatterien (z. B. Teiletausch) bei gleichbleibenden Außenmaßen bzw. Formfaktor je nach Einsatzfall. Eine universelle Ersatzbatterie kann durch eine Software-Anpassung (Rekonfiguration) in unterschiedlichen Fahrzeugen und Fahrzeugtypen gleicher Hersteller oder verschiedener Hersteller verwendet werden, die eigentlich unterschiedliche Batterietypen benötigen. Dadurch wird die Ersatzteillogistik und das Batterietauschgeschäft vereinfacht.
Darüber hinaus ermöglicht die interne Prüfung des Akkumulators durch die BMS (Battery Management System) bzw. die BMU das Reagieren auf interne Zellenfehler ohne Änderung der externen Parameter in einem bestimmten Bereich. Damit lässt sich die Nutzungsdauer des Gesamt-Akkumulators erhöhen. Ein Nutzer der Batterie wird nicht irritiert durch eine reduzierte Batteriekapazität: Defekte an den physikalischen Zellen/Akkus sind bis zu einem gewissen Grad nicht durch einen Anwender bemerkbar.
Eine rekonfigurierbare Batterie weist eine Schnittstelle für die Konfigurationsinformationen auf. An dieser ist durch Parameter wie Nennspannung, die Kapazität, Innenwiderstand, maximal zulässige Grenzwerte vor Auslösen einer Sicherung (Maximalstrom Entladen, Maximalstrom Laden, maximale Ladespannung), Begrenzung des maximalen Ladestroms oder Entladestroms, erkennbar, dass die Batterie konfiguriert werden kann.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 eine Akkumulatoreinheit enthaltend ein Akkupaket mit einer zusätzlichen Zelle, die im Falle von Schäden an einer anderen Zelle oder auch bei Bedarf, z. B. einer höheren Nennspannung, in die Schaltmatrix aufgenommen werden kann,
2 den Ablauf bei einer initialen Konfiguration oder auch bei einer Re-Konfiguration eines Akkumulators,
3 den internen Testablauf eines Batteriemanagementsystems, der periodisch durchgeführt wird,
4 eine Möglichkeit zur Realisierung einer Schaltmatrix, bei der eine bspw. defekte Zelle durch eine Ersatz-Batteriezelle ersetzt wird,
5 eine Variante, bei der keine Ersatzzelle vorgesehen ist, bei der jedoch eine defekte oder noch intakte Zelle überbrückt werden kann,
6 eine Akkueinheit mit Kontaktstecker und zwei Konfigurationen mit gleicher Nennspannung aber veränderter Ladekapazität, und
7 eine Akkueinheit mit einer im Detail dargestellten Empfangseinheit.
1 zeigt eine Akkumulatoreinheit 10 enthaltend ein Akkupaket 12 mit einer zusätzlichen Zelle Z5, die im Falle von Schäden an einer anderen Zelle oder auch bei Bedarf einer höheren Nennspannung oder der Veränderung eines anderen Parameters der Akkumulatoreinheit 10 in die Schaltmatrix aufgenommen werden kann. Im Ausführungsbeispiel haben die Zellen eine Nennspannung von bspw. 3 Volt. Bei der Verwendung von Lithium-Ionen Batterien bzw. Akkus liegt die Nennspannung etwas höher. Alternativ werden an Stelle der Zellen Z1 bis Z5 Zellstapel aus mehreren in Reihe verschalteten Zellen verwendet, die im Folgenden ebenso wie eine Zelle als Akkus bezeichnet werden. Die in dieser Anmeldung erläuterten Konfigurationsmöglichkeiten lassen sich sowohl auf Zellebene als auch auf Zellstapelebene durchführen.
Die 1 zeigt ein Akku-Paket 12 mit einer oder mehreren Zellen, wobei fünf Zellen Z1 bis Z5 dargestellt sind. Die Zellen Z1 bis Z5 dienen zur physikalischen Speicherung elektrischer Energie. Das Akku-Paket 12 bzw. die Akkueinheit 10 ist über einen als Pluspol 20 bzw. ”+” bezeichneten Kontakt und über einen als Minuspol 22 bzw. ”–” bezeichneten Kontakt ladbar bzw. entladbar. Außerdem ist eine Datenleitung 30 bzw. ein Kontakt ”D” zur Datenkommunikation dargestellt. Über die Datenleitung 30 kann z. B. Statusinformation des Akku-Paket 12 abgefragt werden. In einer anderen Ausgestaltung kann die Datenkommunikation auch auf einen der Kontakte bzw. Pole 20, 22 (+, –) aufmoduliert werden.
Eine Batterie-Steuerungseinheit 14 (Battery Management Unit BMU) ist ebenfalls in der Akkumulatoreinheit 10 vorhanden. Die Batterie-Steuerungseinheit 14 ist mit der Datenleitung 30 verbunden, vorzugsweise an einer Empfangseinheit. Ein Beispiel für eine Empfangseinheit E wird unten an Hand der 7 näher erläutert.
Steuerleitungen 40, 42 führen von der Steuerungseinheit 14 zu dem Akku-Paket 12. Über die Steuerleitungen 40, 42 werden Schalteinheiten angesteuert, die die Konfiguration der Akkueinheit 10 einstellen. Beispiele für Schalteinheiten und für Möglichkeiten zur Einstellung der Konfiguration werden unten an Hand der 2 bis 7 erläutert. Andere Konfigurationen sind aber ebenfalls möglich, bspw. eine optionale Serienschaltung von Zellen zum Einstellen der Nennspannung.
Die Batterie-Steuerungseinheit 14 führt ein Mapping durch, wie die Zellen Z1 bis Z5 bzw. die entsprechenden Zellstapel/Akkus zum Erzeugen der Ausgangsspannung verwendet werden sollen. Bspw. ist in der Batterie-Steuerungseinheit 14 eine Tabelle in einer Speichereinheit gespeichert. Die Tabelle gibt die aktuelle Konfiguration vor und kann geändert werden, siehe bspw. die Erläuterungen zu 2. Im Beispiel werden die Zellen Z1 bis Z4 bzw. die entsprechenden Zellstapel/Akkus zum Erzeugen der Ausgangsspannung verwendet. Die Zelle Z5 wird dagegen nicht verwendet, d. h. sie dient als Reservezelle bzw. als Ersatzzelle.
Die BMU 14 kann auch einen Zellenausgleich durchführen. Alternativ führt die BMU 14 jedoch keinen Zellenausgleich durch.
2 zeigt den Ablauf bei einer initialen Konfiguration oder auch bei einer Re-Konfiguration eines Akkumulators. Das Verfahren beginnt in einem Verfahrensschritt 100, kurz Schritt 100. Das Verfahren wird bspw. bei jedem Neustart eines Fahrzeugs bzw. anderen Transportmittels durchgeführt. Alternativ kann das Verfahren auch nur vor dem Einbau der Akkueinheit in ein Elektroauto oder in ein Transportmittel mit Verbrennungsmotor durchgeführt werden, bspw. bei der Herstellung der Akkueinheit, z. B. 10, 200.
In einem optionalen Schritt 102 liest die BMU, z. B. 14, aus einem internen Speicher der Akkueinheit die Statusinformationen des Akkupacks. Alternativ können diese Informationen auch in einem Programm enthalten sein, das bei der Konfiguration des Akkus in der BMU verwendet wird.
In einem Schritt 104, der dem Schritt 102 folgt, der aber auch vor diesem Schritt liegen kann, wird die geforderte Konfigurationsinformation/-daten gelesen bzw. empfangen, insbesondere von einer Fahrzeugsteuerung oder von einem Servicerechner.
In einem dem Schritt 104 folgenden Schritt 106 wird geprüft, ob die geforderte Konfiguration mit dem vorliegenden Akku möglich ist, wobei die internen Statusdaten verwendet werden. Die zu konfigurierenden Parameter können optional auch von der BMU und dem externen Rechner ausgehandelt werden.
Ist eine Konfiguration möglich, so folgt dem Schritt 106 ein Schritt 108, in welchem die Akkueinheit 10 gemäß den geforderten Parametern konfiguriert wird.
Ist dagegen eine Konfiguration nicht möglich, so folgt dem Schritt 106 ein Schritt 110, in welchem eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
In beiden Fällen wird das Verfahren dann in einem Schritt 112 beendet.
Das in 2 dargestellt Verfahren wird somit von außen getriggert und führt zu einer nach außen hin wirksamen bzw. erfassbaren Änderung von Parametern der Akkueinheit 10, 200, 250, 300, 400.
3 zeigt den internen Testablauf eines Batteriemanagementsystems, der periodisch durchgeführt wird. Im Falle einer Abweichung von einem definierten Parametersatz kann eine Re-Konfiguration des Akkumulators erfolgen bzw. eine Fehlermeldung.
Das Verfahren beginnt in einem Verfahrensschritt 150, kurz Schritt 150. Das Verfahren wird bspw. zyklisch bzw. periodisch durchgeführt, z. B. innerhalb einer Zeitpanne, die kleiner oder gleich einem Tag, einer Stunde oder sogar einer Minute ist. Das Verfahren kann aber auch abhängig von Betriebsparametern der Akkueinheit 10 durchgeführt werden, wie bspw. Temperatur oder Spannung der Akkueinheit 10 oder der Temperatur oder Spannung einzelner Zellen. Das in 3 gezeigte Verfahren kann im eingebauten Zustand der Akkueinheit, z. B. 10, durchgeführt werden, d. h. die Akkueinheit befindet sich in einem Transportmittel, insbesondere in einem Fahrzeug. Alternativ kann das Verfahren aber auch im ausgebauten Zustand der Akkueinheit durchgeführt werden, bspw. bei der Lagerung der Akkueinheit.
In einem Schritt 152, der dem Schritt 150 folgt, werden zuvor festgelegte Zellparameter geprüft, bspw. die Nennspannung einzelner Zellen/Akkus. So lassen sich bspw. sogenannte ”sanfte” Kurzschlüsse erkennen, d. h. hochohmige Feinschlüsse, die zu einer erhöhten Selbstentladung führen. Insbesondere kann jedoch ein Zellen/Akku-Ausfall erfasst werden.
In einem folgenden Schritt 154 wird geprüft, ob die im Schritt 152 erfassten Parameter innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche liegen bzw. unterhalb von Maximalwerten bzw. oberhalb von vorgegebenen Minimalwerten.
Liegt kein Parameter außerhalb eines vorgegebenen Bereichs, so kann das Verfahren beendet werden. Bei zyklischer Durchführung folgt dem Schritt 154 ein Schritt 156, der eine zeitliche Verzögerung bewirkt. Danach wird das Verfahren im Schritt 152 fortgesetzt. Das Verfahren befindet sich dann in einer Schleife aus den Schritten 152 bis 156, die im Schritt 154 erst dann verlassen wird, wenn Parameter außerhalb von vorgegebenen Toleranzen liegen.
Im Schritt 158 wird bei Toleranzverletzungen die interne Konfiguration der Akkueinheit geändert. Bspw. wird ein defekter Akku/Zelle überbrückt oder ersetzt. Kann dadurch die Toleranzverletzung nicht oder nicht vollständig beseitigt werden, so wird zusätzlich ein Fehlersignal erzeugt und ausgegeben, bspw. durch eine in der Akkueinheit vorhandene Sendeeinheit an eine Fahrzeugsteuerung, an einen Lagerroboter oder an einen anderen Rechner. Alternativ kann auch nur ein Fehlersignal ausgegeben werden, d. h. es wird keine Umkonfiguration durchgeführt. Die betreffende Akkueinheit wird dann bspw. im Fall von ”sanften” Kurzschlüsse in einem Lager öfters aufgeladen, um Tiefentladung der betreffenden Zelle bzw. des betreffenden Zellstapels zu vermeiden.
Nach dem Verfahrensschritt 158 kann bei periodischer Durchführung des Verfahrens wieder der Schritt 152 folgen.
Das in 3 dargestellt Verfahren wird somit von innen getriggert, d. h. von der BMU 202, und führt bspw. zu einer nur nach innen hin wirksamen Änderung. Nach außen hin sollen dabei die Parametern der Akkueinheit 10, 200, 250, 300, 400 möglichst gleich bleiben, es sei denn, der Akku wurde noch nicht konfiguriert. Es ist aber auch eine externe Triggerung des Verfahrens nach 3 möglich, bspw. durch einen Lagerroboter. Auch externe Fehlermeldungen können zusätzlich oder alternativ zum automatischen Umkonfigurieren verwendet werden.
4 zeigt in einer Akkumulatoreinheit 200 eine Möglichkeit zur Realisierung einer Schaltmatrix, bei der eine defekte Zelle bzw. ein defekter Akku A1, A3 durch eine Ersatz-Batteriezelle bzw. einen Ersatzakku A2 ersetzt wird. Die Batterie enthält zwei Batteriezellen A1, A3, die bei der dargestellten Schaltposition der Schalter S1a, S1b, S2a, S2b in Reihe geschaltet sind. Weiterhin ist eine Ersatzzelle/Akku A2 vorgesehen, die bei der dargestellten Stellung der Schalter S1a, S1b, S2a, S2b elektrisch nicht mit anderen Zellen/Akkus verbunden ist.
Eine Batteriesteuereinheit (BMU, Battery Management Unit) 220 überwacht mittels Sensoren S1, S2 und S3, z. B. Spannungssensoren, siehe Leitungen 220, 22, und 224, den Status der Zellen bzw. Akkus A1, A2 und A3. Abhängig vom Ergebnis der Überwachung werden die Schalter S1a, S1b, S2a, S2b angesteuert, siehe Leitungen 210, 212, 214 und 216. Bei defekter Zelle/Akku A1 werden die Schalter S1a und S1b umgelegt bzw. die betreffenden elektronischen Schalteinheiten geschaltet, z. B. Transistoren, so dass elektrisch nun Akku A2 mit Akku A3 in Reihe geschaltet ist. Akku A1 ist elektrisch nicht mehr mit der Reihenschaltung verbunden.
Das bedeutet, das beide Pole des Akkus A2 gleichzeitig mit zwei Schaltungsknoten, hier 204 und N2, verbunden werden können, mit denen die beiden Pole des Akkus A1 vor dem Umschalten verbunden waren. Gleiches gilt auch bezüglich der Akkus A2 und A3.
Ebenso können stattdessen bei defekter Zelle/Akku A3 die Schalter S2a und S2b umgelegt bzw. die entsprechenden Schalteinheiten betätigt werden, sodass die Zelle/der Akku A1 und der Akku A2 in Reihe geschaltet sind und nun Zelle/Akku A3 elektrisch nicht verbunden ist.
4 zeigt Pole 204 (+) und 206 (–) der Akkumulatoreinheit 200. Ein Schaltungsknoten N1 liegt am Anschluss c des Schalters bzw. der Schalteinheit S1a, am Minuspol des Akkus A2 sowie am Anschluss c der der Schalteinheit S2a.
Der Schaltungsknoten N2 liegt am Anschluss a der Schalteinheit S1b und am Anschluss a der der Schalteinheit S2a. Ein Schaltungsknoten N3 liegt am Pluspol des Akkus A2, am Anschluss c der Schalteinheit S1b und am Anschluss c der Schalteinheit S2b
Bezüglich der Schalteinheiten S1a, S1b, S2a, S2b gilt, dass Anschluss a der Mittelanschluss der Schalteinheit ist, der in dem ersten Schaltzustand mit dem Anschluss b und im zweiten Schaltzustand mit dem Anschluss c verbunden ist. Bspw. ist der Anschluss a mit den Arbeitsanschlüssen zweier Transistoren der betreffenden Schalteinheit verbunden. Die Steueranschlüsse (Gate, Basis) der Schalteinheiten werden von der BMU 202 gesteuert. Die anderen Arbeitsanschlüsse bilden die Anschlüsse b und c.
Ein Akku A1 bis A3 kann eine oder mehrere Zellen enthalten, wobei eine Zelle genau eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte enthält. Das in 4 dargestellt Schaltprinzip kann auch für mehr als zwei Zellen/Akkus in der Reihenschaltung erweitert werden. In einer Reihenshaltung können auch mehrere Akkus/Zellen ersetzt werden. Die BMU 202 ist über ein Interface von außen ansteuerbar.
5 zeigt eine Variante, bei der keine Ersatzzelle/Akku vorgesehen ist, bei der jedoch eine defekte oder noch intakte Zelle/Akku überbrückt werden kann. Eine Akkumulatoreinheit 250 enthält:

– eine Batterie-Steuerungseinheit 252 [BMU],
– Zellen/Akkus A4, A5,
– Sensoren S4, S5, z. B. Spannungssensoren,
– vier Schalteinheiten S3a bis S4b, z. B. transistorbasiert oder relaisbasiert,
– Überbrückungsleitungen 254, 256,
– Steuerleitungen 270 bis 276 zwischen den Schalteinheiten S3a bis S4b und der BMU 252,
– Pole 260 (–) und 262 (+) der Akkumulatoreinheit 250, und
– Sensorleitungen 280 und 282 zwischen den Sensoren S4 und S5 und der BMU 252.

Ein Schaltungsknoten N4 liegt zwischen den Anschlüssen a der Schalteinheiten S3b und S4a. Die Überbrückungsleitung 254 liegt zwischen den Anschlüssen c der Schalteinheiten S3a und S3b. Die Überbrückungsleitung 256 liegt zwischen den Anschlüssen c der Schalteinheiten S4a und S4b. Der Anschluss a der Schalteinheit S3a ist mit dem Minuspol 260 verbunden. Der Anschluss a der Schalteinheit S4ba ist mit dem Pluspol 262 verbunden.
Bezüglich der Anschlüsse a, b, c der Schalteinheiten S3a, S3b, S4a, S4b gilt das oben zu den Anschlüssen a, b, c der Schalteinheiten S1a, S1b, S2a, S2b Gesagte, insbesondere bezüglich der Realisierung mit Transistoren.
Ein Akku A4, A5 kann eine oder mehrere Zellen enthalten, wobei eine Zelle genau eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte enthält. Das in 5 dargestellt Schaltprinzip kann auch für mehr als zwei Zellen/Akkus in der Reihenschaltung erweitert werden. In einer Reihenshaltung können auch mehrere Akkus/Zellen überbrückt werden. Die BMU 252 ist über ein Interface von außen ansteuerbar.
Somit kann die Akkumulatoreinheit 250 ausgewählte Zellen/Akkus überbrücken, bspw. im Falle einer Störung einer Zelle/Akkus oder im Falle einer Umkonfiguration oder aus anderen Gründen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält eine Akkumulatoreinheit sowohl die in 4 gezeigte Parallelschaltung als auch die in 5 gezeigte Überbrückungsmöglichkeit. Auch Kombinationen mit der in 6 gezeigten Parallelschaltung sind möglich.
6 zeigt eine Akkueinheit 300 mit von außen ein- oder absteckbarem Kontaktstecker S5a und zwei Konfigurationen mit gleicher Nennspannung aber veränderter Ladekapazität.
Die Akkumulatoreinheit 300 enthält:

– Zellen/Akkus A10 bis A13,
– Pole 302 (–) und 304 (+),
– eine Leitung 310 zwischen dem Pluspol des Akkus A10 und dem Minuspol des Akkus A11,
– eine Leitung 312 zwischen dem Pluspol des Akkus A12 und dem Minuspol des Akkus A13.

Ein Schaltungsknoten N5 ist mit dem Minuspol 302, mit dem Minuspol des Akkus A10 und mit dem Minuspol des Akkus A12 verbunden. Ein Schaltungsknoten N6 ist mit dem Pluspol 304, mit dem Pluspol des Akkus A13 und mit dem Kontaktstecker S5a verbunden. Der andere Anschluss des Kontaktsteckers S5a ist mit dem Pluspol des Akkus A11 verbunden.
Somit kann über den Kontaktstecker S5a wahlweise eine Parallelschaltung der zwei Reihenschaltungen aus den Akkus A10, A11 und A12, A13 wirksam geschaltet werden. Alternativ, d. h. bei gezogenem Kontaktstecker S5a, ist nur die Reihenschaltung aus den Akkus A12, A13 wirksam. Bei gleicher Nennspannung lässt sich also die Kapazität und der Innenwiderstand der Akkueinheit 300 verändern.
An Stelle des Kontaktsteckers S5a kann eine elektronische Schalteinheit und eine BMU verwendet werden. Auch bei Verwendung eines Kontaktsteckers S5a kann eine BMU vorhanden sein, bspw. zum Zellausgleich oder zum Steuern von anderen Schalteinheiten zum Festlegen der Konfiguration bzw. Unterkonfiguration zu der durch den Kontaktstecker S5a festgelegten Konfiguration. Auch mehrere Kontaktstecker S5a können verwendet werden.
Auch Reihenschaltungen oder Überbrückungen können mit Kontaktsteckern realisiert werden, siehe 3 und 4 bzw. deren Kombination.
7 zeigt eine Akkueinheit 400 mit einer im Detail dargestellten Empfangseinheit E.
Die Akkumulatoreinheit 400 enthält Zellen/Akkus A20 bis A23 usw. und eine Batterie-Steuerungseinheit 402 [BMU].
Die Batterie-Steuerungseinheit 402 führt ggf. auch einen Zellenausgleich durch und enthält:

– ein Empfangseinheit E,
– einen Prozessor P, z. B. einen Mikroprozessor, bzw. Mikrocontroller, der Befehle abarbeitet,
– einen Speicher M, zum Speichern der Befehle und zum Speichern von Daten,
– eine optionale Verschlüsselungseinheit 410,
– eine optionale Signatureinheit 412,
– eine optionale Web-Serviceeinheit 414,
– eine optionale IP-Einheit (Internet Protokoll) 416, und
– einen konfigurierbarer Stromrichter 418.

Bezüglich der Einheiten 410 bis 416 und des Stromrichters 418 wird auf die Einleitung verwiesen. Es können optional ein, zwei, drei, vier oder alle fünf dieser Einheiten in beliebiger Kombination vorhanden sein.
Ein Interface 404 zwischen der Empfangseinheit E und einem externen Rechner ist bspw. drahtlos, drahtgebunden über eine separate Kommunikationsleitung zu den Polen der Akkueinheit 400 oder drahtgebunden über einen Pol oder über beide Pole der Akkueinheit 400.
Auch in den anderen Figuren können eine BMU mit Prozessor oder mit einer Schaltung ohne Prozessor eingesetzt werden. Auch die Funktionen der Empfangseinheit werden durch den Prozessor P oder durch eine Schaltung ohne Prozessor erbracht.
Die Auswahleinheit bzw. BMU 402 kann auch das Festlegen von mindestens einem, mindestens zwei, mindestens drei, mindestens vier oder aller der folgenden Parameter ermöglichen:

Gleiches gilt für die in den anderen 1 bis 6 gezeigten bzw. erwähnten BMU's 14, 202, 252.
Auch diese Funktionen der Auswahleinheit können durch einen Prozessor oder durch eine Schaltung ohne Prozessor P erbracht werden.
Die Gesamtspannungen der Akkueinheit liegen z. B. im Bereich zwischen 100 Volt bis 600 Volt.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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 Nicht-Patentliteratur

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.) 802.3 [0030]

Claims

Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400), mit einem ersten Akkumulator (Z4) und mit einem zweiten Akkumulator (Z5), mit einer Auswahleinheit (14, 202, 252, S5, 402), die eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten der Akkumulatoreinheit (10) festlegt, und mit einer an die Auswahleinheit gekoppelten Schalteinheit (S1a bis S5), die mit einer Parallelschaltung des in der ersten Betriebsart nicht benötigten zweiten Akkumulators (Z5) und des in der ersten Betriebsart benötigten ersten Akkumulators (Z4) verbunden ist.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei in der zweiten Betriebsart der erste Akkumulator (A10, A11) und der zweite Akkumulator (A12, A13) parallel geschaltet sind oder wobei in der zweiten Betriebsart der zweite Akkumulator (A2) an Stelle des ersten Akkumulators (A1) verwendet wird.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Akkumulatoreinheit (400) eine Empfangseinheit (E) enthält, über die von einer Fahrzeugsteuerung oder von einer anderen Steuerung Daten an die Auswahleinheit übermittelt werden können.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach Anspruch 3, wobei die Empfangseinheit (E) eine elektronische Entschlüsselungseinheit (410) oder eine elektronische Signatureinheit (412) enthält.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) eine von den Polanschlüssen der Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) separate Datenleitung (30) enthält, die zu der Empfangseinheit (E) führt, oder wobei die Empfangseinheit (E) an einen Polanschluss (20, 22) oder an beiden Polanschlüssen (20, 22) der Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) angeschlossen ist, oder wobei die Empfangseinheit (E) Daten über eine drahtlose Übertragungsstrecke empfängt.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Empfangseinheit (E) eine Web-Serviceeinheit (414) und/oder eine Internetprotokolleinheit (416) enthält, und/oder wobei die Empfangseinheit gemäß mindestens einem der folgenden Protokolle bzw. Bussysteme arbeitet: Ethernet-Protokoll, CAN-Bus, TTP, TTE, PROFINET oder FlexRay-Bus.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahleinheit (14, 202, 252, S5, 402) auch das Festlegen von mindestens einem, mindestens zwei, mindestens drei, mindestens vier oder aller der folgenden Parameter ermöglicht: – Nennspannung der Akkumulatoreinheit, – Kapazität der Akkumulatoreinheit, – Innenwiderstand, – maximaler Grenzwert vor dem Auslösen einer Sicherung, – Begrenzung des maximalen Ladestroms, – Begrenzung des maximalen Entladestroms.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem dritten Akkumulator (A3), wobei die Schalteinheit (S1a bis S2b) eine Reihenschaltung des ersten Akkumulators (A1) und des dritten Akkumulators (A3) ermöglicht und in der Reihenschaltung das wahlweise Ersetzen des ersten Akkumulators (A1) oder des dritten Akkumulators (A3) durch den zweiten Akkumulator (A2) ermöglicht.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach Anspruch 8, mit einer ersten Umschalteinheit (S1a) zwischen einem ersten Anschluss (204) der Reihenschaltung und einem ersten Pol des ersten Akkumulators (A1) sowie zwischen dem ersten Anschluss (204) der Reihenschaltung und einem ersten Pol des zweiten Akkumulators (A2), einer zweiten Umschalteinheit (S1b) zwischen einem ersten Schaltungsknoten (N2) der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des ersten Akkumulators (A1) sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten (N2) der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des zweiten Akkumulators (A2), einer dritten Umschalteinheit zwischen dem ersten Schaltungsknoten (N2) der Reihenschaltung und einem ersten Pol des dritten Akkumulators (A3) sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten (N2) der Reihenschaltung und dem ersten Pol des zweiten Akkumulators (A2), einer vierten Umschalteinheit (S2b) zwischen einem zweiten Anschluss (206) der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des dritten Akkumulators (A3) sowie zwischen dem zweiten Anschluss (206) der Reihenschaltung und dem zweiten Pol des zweiten Akkumulators (A2).
Akkumulatoreinheit (250), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ersten Akkumulator (A4) und mit einem zweiten Akkumulator (A5), und mit mindestens einer Schalteinheit (S3a bis S4b), die eine Reihenschaltung des ersten Akkumulators (A4) und des zweiten Akkumulators (A5) ermöglicht und die in der Reihenschaltung das wahlweise Überbrücken des ersten Akkumulators (A4) oder des zweiten Akkumulators (A5) ermöglicht.
Akkumulatoreinheit (250) nach Anspruch 10, mit einer ersten Überbrückungsverbindung (254) für den ersten Akkumulator (A4) und mit einer zweiten Überbrückungsverbindung (256) für den zweiten Akkumulator (A5), wobei die erste Überbrückungsverbindung (254) und die zweite Überbrückungsverbindung (256) als separate Verbindungen ausgeführt sind.
Akkumulatoreinheit (250) nach Anspruch 10 oder 11, mit einer ersten Umschalteinheit (S3a) zwischen einem ersten Anschluss (260) der Reihenschaltung und einem ersten Pol des ersten Akkumulators (A4) sowie zwischen dem ersten Anschluss (260) der Reihenschaltung und der/einer ersten Überbrückungsverbindung (254), einer zweiten Umschalteinheit (S3b) zwischen einem ersten Schaltungsknoten (N4) der Reihenschaltung und einem zweiten Pol des ersten Akkumulators (A4) sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten (N4) der Reihenschaltung und der ersten Überbrückungsverbindung (254), einer dritten Umschalteinheit (S4a) zwischen dem ersten Schaltungsknoten (N4) der Reihenschaltung und einem ersten Pol des zweiten Akkumulators (A5) sowie zwischen dem ersten Schaltungsknoten (N4) der Reihenschaltung und der/einer zweiten Überbrückungsverbindung (256), einer vierten Umschalteinheit (S4b) zwischen einem zweiten Anschluss der Reihenschaltung (262) und einem zweiten Pol des zweiten Akkumulators (A5) sowie zwischen dem zweiten Anschluss (262) der Reihenschaltung und der zweiten Überbrückungsverbindung (256).
Akkumulatoreinheit (10, 200, 250, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahleinheit ein Kodierstecker ist.
Akkumulatoreinheit (10, 200, 250, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahleinheit (402) mit einem konfigurierbaren Stromrichter (416) verbunden ist, der in der Akkumulatoreinheit (10, 200, 250, 300, 400) vorhanden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400), insbesondere zum Betreiben einer Akkumulatoreinheit (10, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit Hilfe einer Auswahleinheit (14, 202, 252, S5, 402) eine von mindestens zwei wählbaren Betriebsarten festgelegt wird, wobei in einer zweiten Betriebsart ein in der ersten Betriebsart nicht benötigter Akkumulator (Z5) zu einem in der ersten Betriebsart benötigten Akkumulator (Z4) parallel geschaltet oder an dessen Stelle in einer Parallelschaltung geschaltet wird.