DE102013222641A1

DE102013222641A1 - Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013222641A1
Application number: DE201310222641
Authority: DE
Inventors: Andre Schmitz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2015-05-07
Also published as: CN105555589A; WO2015067456A1; US20160243961A1

Abstract

Ein Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug hat eine ersten Energiespeichereinheit, die eine zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors des Fahrzeugs ausreichende Grundleistung bereitstellt Die erste Energiespeichereinheit ist über einen Inverter mit dem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden. Es ist ein Anschluss vorgesehen, über den wenigstens eine weitere Energiespeichereinheit parallel zur ersten Energiespeichereinheit angeschlossen werden kann. In einer anderen Variante weist ein Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug drei Energiespeichereinheiten auf, die jeweils wenigstens einen Energiespeicher haben, wobei die drei Energiespeichereinheiten so verschaltet sind, dass jede davon eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms für einen Elektromotor des Fahrzeugs bereitstellt. Die einzelnen Energiespeichereinheiten sind durch das Hinzufügen von weiteren Energiespeichern erweiterbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, sowohl bei PHEV-Fahrzeugen (plug-in hybrids) als auch bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen (BEV), dient gegenwärtig eine aus einer oder mehreren einzelnen Batteriezellen als Energiespeicher zusammengesetzte Energiespeichereinheit als Energiequelle. Die Batteriezellen sind meist einzelne Lithium-Ionen-Zellen. Diese sind seriell oder in einer Kombination aus seriellen und parallelen Schaltungen miteinander verbunden. Summe und Art der Verschaltung der Batteriezellen bestimmen die zur Verfügung stehende Energie und damit die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Eine spezifische Energiespeichereinheit liefert dabei in einem vorbestimmten Spannungsbereich stets eine vorbestimmte maximale Stromstärke, die von deren Art und Aufbau abhängt und unveränderlich ist. Somit wird auch gleichzeitig die Leistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs durch die verwendete Energiespeichereinheit festgelegt, da diese durch ein festes Verhältnis von Leistung zu Energie charakterisiert ist.
Dies führt dazu, dass in einer Produktpalette von elektrisch angetriebenen Serienfahrzeugen keine Leistungsstaffelungen angeboten werden können, wie dies von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt ist, wo unterschiedliche Motoren in einem ansonsten weitgehend unveränderten Fahrzeugmodell eingesetzt werden. Für den Verbraucher stellte diese Auswahlmöglichkeit in der Vergangenheit eine wichtige Kaufentscheidung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise eine Differenzierung hinsichtlich der Fahrzeugleistung bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer ersten Ausführungsform eines Energiespeichersystems für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gelöst, das eine erste Energiespeichereinheit aufweist, die eine zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors des Fahrzeugs ausreichende Grundleistung bereitstellt und die über einen Inverter mit einem Elektromotor des Fahrzeugs verbunden ist, wobei ein Anschluss vorgesehen ist, über den wenigstens eine weitere Energiespeichereinheit parallel zur ersten Energiespeichereinheit angeschlossen werden kann. Wird nur die erste Energiespeichereinheit verwendet, so weist das Fahrzeug eine Leistung auf, die einer Basisleistung in der Produktpalette entspricht. Es ist aber auf einfache Weise möglich, durch den Anschluss einer oder mehrerer weiterer Energiespeichereinheiten die Leistung des Fahrzeugs zu erhöhen. Auf diese Weise lässt sich ein modularer Aufbau erreichen, wobei bei einem Fahrzeug, dass eine erhöhte Leistung aufweisen soll, einfach ein oder mehrere weitere Energiespeichereinheiten mit dem in jedem Fahrzeug vorgesehenen Anschluss verbunden werden, ohne dass an der Grundkonfiguration des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs Änderungen vorgenommen werden müssen.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist wenigstens eine zweite Energiespeichereinheit vorgesehen, die eine Zusatzleistung zum Betrieb eines Elektromotors des Fahrzeugs bereitstellt und die zur ersten Energiespeichereinheit parallelgeschaltet ist, bevorzugt, indem sie mit dem Anschluss des Energiespeichersystems verbunden ist. Durch die Parallelschaltung lässt sich auf einfache Weise die Gesamtleistung des Fahrzeugs erhöhen.
Die zweite Energiespeichereinheit kann beispielsweise über einen DC/DC-Wandler zur ersten Energiespeichereinheit parallel geschaltet sein. Der DC/DC-Wandler dient als Koppelelement und kann je nach Anforderungen als bidirektionaler Hoch-, Tief- oder Hoch-Tiefsetzsteller ausgelegt sein. Dabei ist es unerheblich, an welcher der Energiespeichereinheiten sich der DC/DC-Wandler befindet.
Jede der Energiespeichereinheiten enthält eine oder mehrere Energiespeicher, die jeweils aus einer Vielzahl seriell und/oder parallel verschalteter einzelner Batteriezellen bestehen. Es können Batteriezellen beliebiger Art eingesetzt werden, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Metallhydrid-Zellen oder Metall-Luft-Zellen, aber auch Hybridkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren oder Pseudokondensatoren. Ebenso kann es sich bei einer der Energiespeichereinheiten um einen Brennstoffzellenstack oder mehrere elektrisch miteinander verschaltete Brennstoffzellenstacks handeln.
Der Inverter, der aus dem von den Energiespeichereinheiten gelieferten Gleichstrom den zum Betrieb des Elektromotors notwendigen Wechselstrom erzeugt, ist beispielsweise zwischen der Verbindungsstelle der Energiespeichereinheiten, die insbesondere durch den Anschluss des Energiespeichersystems gebildet ist, und dem Elektromotor angeordnet.
Hierbei kann ein gemeinsamer Inverter beiden Energiespeichereinheiten nachgeschaltet sein.
Es ist aber auch möglich, jeder der Energiespeichereinheiten einen eigenen Inverter zuzuordnen. In diesem Fall sind so viele Inverter wie Energiespeichereinheiten vorgesehen.
Beide Energiespeichereinheiten können dabei mit demselben Elektromotor verbunden sein oder aber mit verschiedenen Elektromotoren des Fahrzeugs.
Die Aufgabe wird auch mit einem Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform gelöst, bei dem drei Energiespeichereinheiten vorgesehen sind, die jeweils wenigstens einen Energiespeicher aufweisen, wobei die drei Energiespeichereinheiten so verschaltet sind, dass jede von ihnen eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms für einen Elektromotor des Fahrzeugs bereitstellt. Bei den einzelnen Energiespeichern kann es sich beispielsweise um einzelne Batteriezellen handeln, aber auch um bereits vorgefertigte Einheiten aus mehreren Batteriezellen.
Auch dieses Energiespeichersystem kann auf einfache Weise auf verschiedene Fahrzeugleistungen ausgelegt werden, indem wenigstens eine der Energiespeichereinheiten einen Anschluss zum Anschließen von weiteren Energiespeichern aufweist.
Um das Energiespeichersystem zu erweitern, können den einzelnen Energiespeichereinheiten weitere Energiespeicher hinzugefügt werden. In einem solchen Fall weist wenigstens eine der Energiespeichereinheiten mehr als zwei Energiespeicher auf. Es können beispielsweise pro Energiespeichereinheit drei Energiespeicher in Serie geschaltet sein. Es ist aber auch möglich, nur zwei oder deutlich mehr als drei Energiespeicher zu verwenden.
Alle Energiespeicher der jeweiligen Energiespeichereinheit sind beispielsweise seriell über Inverter miteinander verbunden.
Jeder Energiespeicher in einer der Energiespeichereinheiten kann in drei verschiedenen Modi betrieben werden. Der Energiespeicher kann die Ausgangsspannung der Energiespeichereinheit um seine Ausgangsspannung erhöhen, ohne Auswirkung auf die Spannung der Energiespeichereinheit bleiben oder die Ausgangsspannung der jeweiligen Energiespeichereinheit um seine Ausgangsspannung verringern.
Die Erfindung stellt ein Baukastensystem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge bereit, das es ermöglicht, ohne große bauliche Veränderungen eine Differenzierung bezüglich der Leistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zu erreichen. Um bei einem Fahrzeugmodell eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs unterschiedliche Leistungen verwirklichen zu können, wird erfindungsgemäß das Energiespeichersystem so ausgelegt, dass wenigstens eine Energiespeichereinheit vorgesehen ist, die die Grundleistung zum Betrieb des Fahrzeugs bereitstellt. Um ein Fahrzeug mit einer höheren Leistung anzubieten, wird in einer Ausführungsform eine komplette zweite Energiespeichereinheit hinzugefügt. In einer anderen Ausführungsform werden Energiespeichereinheiten des Grundmoduls um einzelne Energiespeicher erweitert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems gemäß einer dritten Ausführungsform.
1 zeigt ein Energiespeichersystem 100 für ein nicht näher dargestelltes elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer ersten Energiespeichereinheit 102, die über elektrische Leitungen 104 an einen Inverter 106 angeschlossen ist, der den von der Energiespeichereinheit 102 gelieferten Gleichstrom in einen Dreiphasenwechselstrom transformiert und der mit einem Elektromotor 108 des Fahrzeugs verbunden ist. Die erste Energiespeichereinheit 102 liefert genügend Energie für eine vorgegebene Grundleistung des Fahrzeugs.
Die Energieversorgung des Antriebs des Fahrzeugs ist hier nur schematisch anhand des Betriebs eines einzigen Elektromotors 108 dargestellt. Natürlich könnte beispielsweise die Energiespeichereinheit 102 auch sämtliche Elektromotoren des Fahrzeugs versorgen, oder es könnte für jeden Elektromotor des Fahrzeugs ein Basismodul mit einer Energiespeichereinheit 102 vorgesehen sein.
Zwischen dem Inverter 106 und der ersten Energiespeichereinheit 102 ist ein Anschluss 110 vorgesehen, der in Form eines elektrischen Steckverbinders ausgebildet ist und an den im gezeigten Beispiel eine zweite Energiespeichereinheit 112 in einer Parallelschaltung angeschlossen ist. Die Koppelung der zweiten Energiespeichereinheit 112 an das bestehende System über den Anschluss 110 erfolgt über einen DC/DC-Wandler 114, der eine Gleichspannung in gewünschter Höhe bereitstellt.
Es wäre auch möglich, den DC/DC-Wandler 114 der ersten Energiespeichereinheit 102 zuzuordnen. Natürlich ist es auch möglich, jede der Energiespeichereinheiten 102, 112 mit einem DC/DC-Wandler 114 zu versehen.
Theoretisch ist es denkbar, noch weitere Energiespeichereinheiten, dann vorzugsweise jeweils mit eigenem DC/DC-Wandler, parallel mit dem Anschluss 110 zu verbinden, um die Leistung des Energiespeichersystems des Fahrzeugs weiter zu erhöhen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Energiespeichersystems 200. In diesem Fall sind zwei Energiespeichereinheiten 202, 212 vorgesehen, die mit jeweils einem Inverter 106 verbunden und über diesen mit dem Elektromotor 108 gekoppelt sind. In diesem Fall weist der Elektromotor 108 einen zusätzlichen Anschluss auf, der mit dem Inverter 206 der zweiten Energiespeichereinheit 212 verbunden ist. Es wäre auch möglich, die beiden Inverter 206 und damit die beiden Energiespeichereinheiten 202, 212 mit unterschiedlichen Elektromotoren 108 zu koppeln.
In beiden bisher beschriebenen Ausführungsformen ist jeweils die erste Energiespeichereinheit 102, 202 ausreichend dimensioniert, um eine zum Betrieb des Elektromotors 108 ausreichende Grundleistung bereitzustellen. Durch das Vorsehen der zusätzlichen zweiten Energiespeichereinheit 112, 212 wird die Gesamtleistung des Energiespeichersystems 100, 200 erhöht.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Energiespeichersystems 300, wobei nur eine von insgesamt drei Energiespeichereinheiten 320 dargestellt ist. Die drei Energiespeichereinheiten 320 werden mit ihren Ausgängen 322 so mit einem (hier nicht gezeigten) Elektromotor verbunden, dass jede Energiespeichereinheit 320 eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms liefert.
In diesem Beispiel weist jede der Energiespeichereinheiten 320 drei einzelne Energiespeicher 324 auf. Jeder der einzelnen Energiespeicher 324 kann aus mehreren einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt sein, die auf beliebige geeignete Weise verschaltet sein können. Es ist nicht notwendig, dass alle Energiespeicher 324 gleich aufgebaut sind.
Alle einzelnen Energiespeicher 324 einer Energiespeichereinheit 320 sind seriell jeweils über einen Inverter 326 miteinander verbunden.
Soll in einem derartigen Energiespeichersystem 300 die Leistung des Fahrzeugs erhöht werden, lassen sich auf einfache Art und Weise weitere einzelne Energiespeicher 324 über jeweils einen Inverter seriell zur bestehenden Serienschaltung hinzufügen. Hierzu sind (nicht dargestellte) Anschlüsse in der jeweiligen Energiespeichereinheit 320 vorgesehen, sodass weitere Energiespeicher 324 einfach nur über einen Stecker verbunden werden müssen.

Claims

Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer ersten Energiespeichereinheit (102), die eine zum Betrieb wenigstens eines Elektromotors (108) des Fahrzeugs ausreichende Grundleistung bereitstellt, die über einen Inverter (106) mit dem Elektromotor (108) des Fahrzeugs verbunden ist, wobei ein Anschluss (110) vorgesehen ist, über den wenigstens eine weitere Energiespeichereinheit (112) parallel zur ersten Energiespeichereinheit (102) angeschlossen werden kann.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Energiespeichereinheit (112; 212) vorgesehen ist, die eine Zusatzleistung zum Betrieb eines Elektromotors (108) des Fahrzeugs bereitstellt und die zur ersten Energiespeichereinheit (102) parallelgeschaltet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiespeichereinheit (112) über einen DC/DC-Wandler (114) zur ersten Energiespeichereinheit (102) parallel geschaltet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Inverter (106) beiden Energiespeichereinheiten (102, 112) nachgeschaltet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Energiespeichereinheiten (202, 212) ein eigener Inverter (106) zugeordnet ist, über den sie mit einem Elektromotor (108) des Fahrzeugs verbunden ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Energiespeichereinheiten mit unterschiedlichen Elektromotoren des Fahrzeugs verbunden sind.
Energiespeichersystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit drei Energiespeichereinheiten (320), die jeweils wenigstens einen Energiespeicher (324) aufweisen, wobei die drei Energiespeichereinheiten (320) so verschaltet sind, dass jede eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms für einen Elektromotor (108) des Fahrzeugs bereitstellt.
Energiespeichersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energiespeichereinheiten (320) einen Anschluss zum Anschließen von weiteren Energiespeichern (324) aufweist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energiespeichereinheiten (320) mehr als zwei Energiespeicher (324) aufweist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Energiespeicher (324) einer Energiespeichereinheit (320) seriell über Inverter (326) miteinander verbunden sind.