DE102014004790A1

DE102014004790A1 - Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichereinrichtung in einem Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014004790A1
Application number: DE102014004790.3A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Meitinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-04-03
Also published as: DE102014004790B4

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem ersten Energiespeicherelement und wenigstens einem parallel zum ersten Energiespeicherelement geschalteten zweiten Energiespeicherelement in einem Kraftfahrzeug, wobei durch eine Umschalteinrichtung bei Erfüllung einer eine Energiebereitstellung zum Laden der Energiespeichereinrichtung durch eine fahrzeugexterne Energiequelle anzeigenden Ladebedingung das erste und das zweite Energiespeicherelement in Serie geschaltet mit der fahrzeugexternen Energiequelle verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem ersten Energiespeicherelement und wenigstens einem parallel zum ersten Energiespeicherelement geschalteten zweiten Energiespeicherelement in einem Kraftfahrzeug.
In Kraftfahrzeugen werden Batterien zum Betrieb einer Vielzahl von Fahrzeugsystemen genutzt. Zunehmend werden wiederaufladbare Energiespeicher auch genutzt um Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen zu betreiben, beispielsweise in Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugen. Dabei ist bei vielen dieser Fahrzeugtypen auch vorgesehen, eine Batterie aus einem Stromnetz zu laden, um einen rein elektrischen Betrieb von Antrieben zu ermöglichen. Zum Laden dieser Batterien werden dabei insbesondere Gleichstromladegeräte genutzt, die einen Gleichstrom zum Laden der Batterie mit einer vorgegebenen Spannung bereitstellen. Die Spannung kann dabei typischerweise in einem vorgegebenen Bereich variiert werden, um Fahrzeugbatterien mit unterschiedlichen Nennspannung zu laden oder die Ladespannung während des Ladevorgangs zu variieren, um einen möglichst schnellen und/oder batterieschonenden Ladevorgang zu ermöglichen.
Wesentlichen für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen, Plug-In-Hybriden oder ähnlichen Kraftfahrzeugen, die regelmäßig aus einem Stromnetz geladen werden, ist ein schnelles Laden der Batterie. Daher ist es wünschenswert, die Batterie mit möglichst hohen Strömen laden zu können. Die maximal nutzbaren Ladeströme sind dabei insbesondere durch die Querschnitte der genutzten Kabel begrenzt. Dabei verschlechtern sehr große Leitungsquerschnitte zum einen die Handhabbarkeit des Ladekabels und zum anderen erhöhen große Leitungsquerschnitte innerhalb des Kraftfahrzeugs das Gewicht des Kraftfahrzeugs. Um eine Beschädigung von Leitungen oder weiteren Komponenten zu vermeiden, sind Ströme in Ladesystemen daher begrenzt. Beispielsweise ist der maximale Ladestrom des in Japan verbreitenden Chademo-Systems auf 120 Ampere und der maximale Ladestrom des in Europa standardisierten CCS-Systems auf 175 Ampere begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichereinrichtung anzugeben, mit dem trotz der oben genannten Beschränkungen ein schnelleres Laden der Batterie möglich ist und/oder mit dem die Leitungsquerschnitte von beim Laden der Energiespeichereinrichtung genutzten Kabeln bzw. Leitungen reduziert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch eine Umschalteinrichtung bei Erfüllung einer eine Energiebereitstellung zum Laden der Energiespeichereinrichtung durch eine fahrzeugexterne Energiequelle anzeigenden Ladebedingung das erste und das zweite Energiespeicherelement in Serie geschaltet mit der fahrzeugexternen Energiequelle verbunden werden.
Erfindungsgemäß ist damit vorgesehen, bei Nichterfüllung der Ladebedingung, also insbesondere beim Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, das erste und das zweite Energiespeicherelement parallel zu schalten und bei Erfüllung der Ladebedingung, also insbesondere während eines Ladevorgangs, das erste und das zweite Energiespeicherelement in Serie zu schalten. Durch eine Serienschaltung des ersten und des zweiten Energiespeicherelements wird die insgesamt an den Energiespeicherelementen abfallende Spannung erhöht, wodurch höhere Ladespannungen nutzbar sind. Durch eine Erhöhung der Ladespannung kann bei Verwendung des gleichen Ladestroms die zur Energiespeichereinrichtung übertragene Leistung proportional zur Erhöhung der Ladespannung erhöht werden. Alternativ oder ergänzend ist es durch eine Erhöhung der Ladespannung auch möglich, die genutzten Ladeströme zu reduzieren und daher Leitungen innerhalb des Kraftfahrzeugs, die beim Laden verwendet werden, und/oder Ladekabeln mit jeweils kleineren Leitungsquerschnitten zu nutzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, weil die eingangs genannten Gleichstromladeeinrichtungen häufig bereits deutlich höhere Spannungen bereitstellen können, als jene Spannungen, die typischerweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen genutzt werden. Selbst sogenannte Hochspannungsbordnetze, wie sie teilweise in Kraftfahrzeugen genutzt werden, bei denen der Antrieb zumindest teilweise elektrisch erfolgt, verwenden typischerweise Bordnetzspannungen von weniger als 400 Volt, beispielsweise 360 Volt, da für diesen Spannungsbereich eine Vielzahl günstiger und hochwertiger Leistungselektronik-Bausteine zur Verfügung stehen. Das eingangs genannte CSS-Ladesystem erlaubt jedoch Ladespannungen von bis zu 850 Volt.
Die Energiespeichereinrichtungen von Kraftfahrzeugen mit Hochspannungsbordnetz umfassen typischerweise eine Vielzahl von Batteriezellen, die teilweise parallel und teilweise in Serie geschaltet sind. Beispielsweise kann eine Energiespeichereinrichtung mit einer Nennspannung von 360 Volt dadurch gebildet werden, dass 100 Zellen mit jeweils 3,6 Volt in Serie geschaltet werden und vier derartige in Serie geschaltete Zellstränge parallel genutzt werden. Steht nun eine maximale Ladespannung von 850 Volt zur Verfügung, so ist es beispielsweise möglich jeweils zwei der vier parallel geschalteten Zellstränge mit jeweils 100 Zellen in Serie zu schalten. In diesem Schaltzustand weist die Energiespeichereinrichtung zwei parallele Zellstränge mit jeweils 200 in Serie geschalteten Batteriezellen und damit eine Nennspannung von 720 Volt auf. Bei einem gleichen Ladestrom ist also ein doppelt so schnelles Laden der Energiespeichereinrichtung möglich. Alternativ könnten die Ladeströme auf die Hälfte reduziert werden oder es könnte eine Mischung aus einer Reduzierung der Ladeströme und einer Erhöhung der Ladegeschwindigkeit genutzt werden.
Dabei kann die Energiebereitstellung durch die fahrzeugexterne Energiequelle dem Kraftfahrzeug durch eine Benutzereingabe eines Benutzers, also beispielsweise durch einen Schalter oder ein menügeführtes Bediensystem mitgeteilt werden. Vorteilhaft wird die Energiebereitstellung jedoch automatisch erfasst. Dabei kann das Erfülltsein der Ladebedingung in Abhängigkeit einer Verbindung einer Ladeverbindungseinrichtung des Kraftfahrzeugs mit der fahrzeugexternen Energiequelle ermittelt werden. Die Verbindung der Ladeverbindungsvorrichtung mit der fahrzeugexternen Energiequelle, also die Energiebereitstellung, kann beispielsweise durch einen mechanischen Schalter an der Ladeverbindungsvorrichtung, der bei einer Verbindung mit der fahrzeugexternen Energiequelle aktiviert wird, oder durch eine Steuereinrichtung, die beispielsweise eine an der Ladungsverbindungsvorrichtung anliegende Spannung erfasst, erkannt werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Ladebedingung eine Funkkommunikation mit der fahrzeugexternen Energiequellen auswerten. So kann an der fahrzeugexternen Energiequelle beispielsweise ein RFID-Chip vorgesehen sein, den eine Erfassungseinrichtung des Kraftfahrzeugs erfassen kann, wodurch erkannt wird, dass sich das Kraftfahrzeug im Bereich einer fahrzeugexternen Energiequelle befindet. Eine Auswertung von Funksignalen, optischen Markierungen oder Ähnlichem ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Laden der Kraftfahrzeugbatterie kontaktlos erfolgen soll. Insbesondere bei einem kontaktlosen Laden kann die Ladebedingung zusätzlich einen Schaltzustand der Zündung oder ähnliches auswerten.
Das Erfülltsein der Ladebedingung kann zusätzlich in Abhängigkeit einer maximal durch die fahrzeugexterne Energiequelle bereitgestellten Ladespannung ermittelt werden. Bei einer Vielzahl von Ladesystemen für Kraftfahrzeuge ist es vorgesehen, dass die fahrzeugexterne Energiequelle vor und/oder während des Ladevorgangs mit einer Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs kommuniziert. Im Rahmen dieser Kommunikation kann eine maximal bereitstellbare Ladespannung übertragen werden. Eine Serienschaltung von Energiespeicherelementen und damit eine Erhöhung der Batteriespannung ist nur dann zweckmäßig, wenn die maximale Ladespannung größer oder gleich dieser erhöhten Batteriespannung ist.
Dabei ist es ergänzend möglich, dass beim Betrieb einer Energiespeichereinrichtung mit mehr als zwei Energiespeicherelementen wenigstens zwei verschiedene Verschaltungen der Energiespeicherelemente vorgesehen sind, bei denen wenigstens ein erstes und ein zweites Energiespeicherelement in Serie geschaltet sind, wobei die Art der Verschaltung in Abhängigkeit der maximal bereitgestellten Ladespannung bestimmt wird. Beispielsweise könnte im oben beschriebenen Beispiel, bei dem im normalen Fahrbetrieb jeweils 100 Zellen in Serie und vier dieser Zellstränge parallel geschaltet sind, neben der oben beschriebenen Verschaltung, bei der 200 der Zellen in Serie und zwei dieser Stränge parallel geschaltet sind, eine weitere Stufe der Spannungserhöhung vorgesehen sein, bei der alle 400 Zellen in Serie geschaltet sind.
Die Ladeverbindungsvorrichtung kann bei nicht erfüllter Ladebedingung vorteilhaft von der Energiespeichereinrichtung getrennt werden. Dabei können insbesondere sowohl die Phase als auch die Masse getrennt werden. Durch die Trennung der Ladeverbindungsvorrichtung von der Energiespeichereinrichtung und insbesondere vom gesamten Stromnetz des Kraftfahrzeugs wird erreicht, dass die Ladeverbindungseinrichtung außerhalb des Ladebetriebs nicht unter Spannung steht, wodurch insbesondere auf einen aufwendigen Berührschutz verzichtet werden kann.
Vorteilhaft kann bei der Erfüllung der Ladebedingung wenigstens ein Verbraucher, der im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch die Energiespeichereinrichtung versorgt wird, von der Energiespeichereinrichtung getrennt werden. Insbesondere können sowohl die Phase als auch die Masse getrennt werden. Es ist zudem vorteilhaft, wenn alle Verbraucher bei Erfüllung der Ladebedingung von der Energiespeichereinrichtung getrennt werden. Wie bereits erläutert wird bei der Serienschaltung mehrere Energiespeicherelemente die durch die Energiespeichereinrichtung bereitgestellte Spannung erhöht. Durch ein Trennen des Verbrauchers von der Energiespeichereinrichtung, insbesondere vor dem Umschalten, wird verhindert, dass an diesem Verbraucher die erhöhte Spannung anliegt. Daher müssen Verbraucher nicht auf die erhöhte Spannung der Energiespeichereinrichtung während des Ladebetriebs ausgelegt sein.
Als fahrzeugexterne Energiequelle kann ein Gleichspannungsladegerät, das Gleichstrom zum Laden des Energiespeichers bereitstellt, genutzt werden. Dabei kann insbesondere vor und/oder während des Ladevorgangs durch das Gleichstromladegerät eine von dem Gleichstromladegerät maximal bereitstellbare Ladespannung an das Kraftfahrzeug kommuniziert werden, wobei das Erfülltsein der Ladebedingung in Abhängigkeit der maximal bereitstellbaren Ladespannung ermittelt wird. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug die Nennspannung oder die momentane Spannung des Energiespeicherelements an das Gleichstromladegerät kommuniziert. Dabei kann insbesondere zunächst die höchste durch entsprechende Verschaltung der Energiespeicherelemente erreichbare Spannung für das Energiespeicherelement an das Gleichstromladegerät kommuniziert werden. Falls dieses zurückmeldet, dass eine entsprechende Spannung nicht bereitgestellt werden kann, so kann die nächst niedrigere durch Verschaltung der Energiespeicherelemente erreichbare Spannung des Energiespeicherelements überbetragen werden, bei der zumindest Teile der Energiespeicherelemente parallel geschaltet sind, usw.
Insbesondere können bei Erfassen einer Verbindung einer Ladeverbindungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs mit der fahrzeugexternen Energiequelle, falls die maximal bereitstellbare Ladespannung kleiner ist als ein vorgegebener Spannungsgrenzwert, das erste und das zweite Energiespeicherelement parallel geschaltet werden oder bleiben und ein Aufladevorgang der Energiespeichereinrichtung kann begonnen werden. Die Umschalteinrichtung schaltet in diesem Fall die Verschaltung der Energiespeicherelemente insbesondere nicht um, wodurch die Verschaltung der Energiespeicherelemente der Verschaltung beim Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs entspricht.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein Gleichstromladegerät genutzt wird, bei dem eine maximal zur Verfügung gestellte Ladespannung des Gleichstromladegeräts wenigstens zweimal so groß ist wie eine Betriebsspannung der Energiespeichereinrichtung bei nicht erfüllter Ladebedingung.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeichereinrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Verbrauchers, wobei die Energiespeichereinrichtung wenigstens ein erstes und ein zweites Energiespeicherelement umfasst und wobei das Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeuge kann dabei insbesondere ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, insbesondere ein Steckdosenhybrid, sein.
Vorteilhaft umfasst die Energiespeichereinrichtung eine erste Gruppe von mehreren Energiespeicherelementen und eine zweite Gruppe von mehrere Energiespeicherelementen, wobei die Energiespeicherelemente innerhalb der jeweiligen Gruppe parallel und/oder seriell und/oder teilweise seriell und teilweise parallel verschaltet sind, wobei jede Gruppen einen ersten und einen zweiten Anschlusspunkt aufweist, über die den Energiespeicherelementen der jeweiligen Gruppe Strom zugeführt und/oder entnommen werden kann und zwischen denen eine Gruppenspannung abfällt. Dabei kann beispielsweise jede der Gruppen zwei parallel geschaltete Stränge von Batteriezellen mit 100 seriell verschalteten Batteriezellen pro Strang umfassen.
Die erste und die zweite Gruppe, sowie insbesondere weitere Gruppen können dabei gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, für jede der Gruppen ein separates Gehäuse vorzusehen und/oder die Gruppen räumlich getrennt in unterschiedlichen Fahrzeugbereichen anzuordnen.
Die Umschalteinrichtung kann dazu ausgebildet sein, bei Nichterfüllung der Ladebedingung den ersten Anschlusspunkt der ersten Gruppe mit dem ersten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe und den zweiten Anschlusspunkt der ersten Gruppe mit dem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe zu verbinden, und bei Erfüllung der Ladebedingung den ersten Anschlusspunkt der ersten Gruppe mit dem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe zu verbinden. Dabei kann der erste Anschlusspunkt jeweils ein Pluspol und der zweite Anschlusspunkt jeweils ein Minuspol sein oder umgekehrt. Durch eine Verbindung der beiden ersten Anschlusspunkte und der beiden zweiten Anschlusspunkte wird eine Parallelschaltung der Gruppen erreicht und durch eine Verbindung des ersten Anschlusspunktes der ersten Gruppe mit dem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe eine Serienschaltung der Gruppen.
Alternativ ist es möglich, dass die Energiespeichereinrichtung wenigstens zwei weitere Energiespeicherelemente umfasst, wobei die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, die weiteren Energiespeicherelemente bei Nichterfüllung der Ladebedingung parallel zur ersten und zweiten Gruppe zu schalten und bei Erfüllung der Ladebedingung wenigstens eines der weiteren Energiespeicherelemente in Serie mit der ersten Gruppe und wenigstens eines der weiteren Energiespeicherelemente in Serie mit der zweiten Gruppe zu schalten, wobei die erste und die zweite Gruppe parallel geschaltet sind. Dabei können die weiteren Energiespeicherelemente bei Nichterfüllung der Ladebedingung, insbesondere in Serie geschaltet sein. Die weiteren Energiespeicherelemente bilden damit eine weitere Gruppe von Energiespeicherelementen, die im normalen Fahrbetrieb parallel zu der ersten und zweiten Gruppe von Energiespeicherelementen geschaltet ist, die jedoch bei Erfüllung der Ladebedingung auf die weiteren Gruppen „verteilt” wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Gruppe jeweils 100 in Serie geschaltete Energiespeicherelemente umfassen und die dritte Gruppe 100 weitere Energiespeicherelemente umfasst, die bei Nichterfüllung der Ladebedingung in Serie miteinander und parallel zur ersten und zweiten Gruppe geschaltet sind. Bei Erfüllung der Ladebedingung können nun 50 der weiteren Energiespeicherelemente in Serie zur ersten Gruppe und 50 der Energiespeicherelemente in Serie zur zweiten Gruppe geschaltet werden, wodurch die Energiespeichereinrichtung bei Erfüllung der Ladebedingung zwei parallele Stränge von Energiespeicherelementen mit jeweils 150 Energiespeicherelementen umfasst. Daher wäre die Spannung der Energiespeichereinrichtung bei Erfüllung der Ladebedingung um den Faktor 1,5 größer als bei Nichterfüllung der Ladebedingung.
Das Kraftfahrzeug kann insbesondere eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, als Ladeinformation eine Verbindung einer Ladeverbindungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs mit der fahrzeugexternen Energiequelle und insbesondere eine maximale Ladespannung der fahrzeugexternen Energiequelle zu erfassen und die Umschalteinrichtung in Abhängigkeit der Ladeinformation anzusteuern.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
3 schematisch eine Detailansicht des in 2 gezeigten Kraftfahrzeugs bei nicht erfüllter Ladebedingung,
4 schematisch die in 3 gezeigte Detailansicht bei erfüllter Ladebedingung, und
5 schematisch eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
1 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Energiespeichereinrichtung in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst dabei wenigstens ein Energiespeicherelement und wenigstens ein im Fahrbetrieb parallel zum ersten Energiespeicherelement geschaltetes zweites Energiespeicherelement. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug 200 erste Energiespeicherelemente umfassen, die in zwei parallel geschaltete Stränge mit jeweils 100 in Serie geschalteten Energiespeicherelementen aufgeteilt sind, und 200 ebenso verschaltete zweite Energiespeicherelemente. Die ersten Energiespeicherelemente können dabei als erste Gruppe und die zweiten Energiespeicherelemente als zweite Gruppe betrachtet werden, wobei die erste und die zweite Gruppe im Fahrbetrieb parallel geschaltet sind.
Um ein schnelleres Laden des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen ist vorgesehen, dass bei Erfüllung einer Ladebedingung das erste und das zweite Energiespeicherelement bzw. die erste und die zweite Gruppe in Serie geschaltet werden, um die Spannung der Energiespeichereinrichtung und damit die Ladespannung zu erhöhen. Damit ist es möglich, ein Laden der Energiespeichereinrichtung bei gleichen Ladeströmen schneller durchzuführen, da die Ladeleistung proportional zu der Ladespannung steigt. Alternativ können die Ladeströme und damit die genutzten Leitungsdurchmesser gesenkt werden, da eine gleiche Ladeleistung bei einer höheren Ladespannung mit geringeren Ladeströmen erreicht werden kann.
Das Verfahren wird nachfolgend mit Bezug auf die 2, 3 und 4 beschrieben, wobei 2 ein Kraftfahrzeug 1 zeigt, das zur Durchführung des in 1 gezeigten Verfahrens ausgebildet ist und die 2 und 3 jeweils eine Detailansicht des Kraftfahrzeugs 1 zeigen. 3 zeigt dabei den Zustand des Energiespeicherelements 2 während des normalen Fahrbetriebs, wenn eine Ladebedingung nicht erfüllt ist und 4 zeigt den Zustand des Energiespeicherelements 2 während des Ladens des Kraftfahrzeugs mit einer fahrzeugexternen Energiequelle, die eine ausreichende Spannung zur Verfügung stellt, also bei Erfülltsein der Ladebedingung.
In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob eine fahrzeugexterne Energiequelle mit der Ladeverbindungsvorrichtung 4 verbunden ist. Hierzu umfasst die Ladeverbindungsvorrichtung 4 einen nicht gezeigten Sensor, nämlich einen Schalter, der ein Einstecken eines Ladekabels erfasst. Der Zustand des Sensors wird durch die Steuereinrichtung 8 über ein Kraftfahrzeugbus 9 erfasst.
In Schritt S2 wird durch die Steuereinrichtung 8 überprüft, ob der erfasste Sensorzustand eine Verbindung der fahrzeugexternen Energiequelle mit der Ladeverbindungsvorrichtung 4 anzeigt. Falls dies nicht der Fall ist, wird das Verfahren ab Schritt S1 wiederholt, das heißt die Steuereinrichtung 8 wartet, bis ein Ladekabel mit der Ladeverbindungsvorrichtung 4 verbunden wird.
Wurde in Schritt S2 eine Verbindung der Ladeverbindungsvorrichtung 4 mit einer fahrzeugexternen Energiequelle festgestellt, so ermittelt die Steuereinrichtung 8 in Schritt S3 die durch die fahrzeugexterne Energiequelle, die ein Gleichstromladegerät ist, maximal bereitstellbare Ladespannung. Hierzu ist im Ladekabel und der Ladeverbindungsvorrichtung eine zusätzliche Leitung zur Kommunikation zwischen Steuereinrichtung 8 und fahrzeugexterner Energiequelle vorgesehen. Alternativ wäre es möglich, dass die Steuereinrichtung 8 über eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung mit der fahrzeugexternen Energiequelle kommuniziert.
Die in Schritt S3 ermittelte maximal bereitstellbare Ladespannung wird in Schritt S4 mit einem in der Steuereinrichtung 8 gespeicherten Grenzwert verglichen. Der Grenzwert entspricht dabei einer Nennspannung des Energiespeicherelements in dem Fall, wenn das wenigstens eine erste Energiespeicherelement seriell zum wenigstens einen zweiten Energiespeicherelement geschaltet ist. Im Kraftfahrzeug 1 umfasst die Energiespeichereinrichtung 2 dabei wie in 3 und 4 gezeigt eine erste Gruppe 10 und eine zweite Gruppe 13 von Energiespeicherelementen. Die erste Gruppe 10 ist dabei vereinfachend als eine Parallelschaltung von zwei ersten Energiespeicherelementen 11, 12 dargestellt. In einer realen Batterie werden anstelle der gezeigten Energiespeicherelemente 11, 12 typischerweise jeweils eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherelementen genutzt. Die Darstellung jeweils eines Energiespeicherelements 11, 12 dient der größeren Übersichtlichkeit. Die beiden ersten Energiespeicherelemente 11, 12 stellen eine Spannung 360 Volt bereit und können in einer realen Batterie beispielsweise durch 100 Batteriezellen mit einer Spannung von jeweils 3,6 Volt, die in Serie geschaltet sind, gebildet werden. Die zweite Gruppe 13 ist entsprechend aufgebaut und umfasst die zweiten Energiespeicherelemente 14, 15, für die das zu den ersten Energiespeicherelementen 11, 12 Gesagte gilt. Im Fahrbetrieb sind die erste Gruppe 10 und die zweite Gruppe 13 parallel geschaltet, womit die Nennspannung der Energiespeichereinrichtung 2 360 Volt ist. Der Grenzwert soll jedoch die Nennspannung der Energiespeichereinrichtung 2 bei einer seriellen Verschaltung des wenigstens einen ersten Energiespeicherelements und des wenigstens einen zweiten Energiespeicherelements, das heißt im Kraftfahrzeug 1 bei einer seriellen Verschaltung der ersten Gruppe 10 und der zweiten Gruppe 13, sein. Die entsprechende Verschaltung ist in 4 gezeigt. Der in der Steuereinrichtung 8 gespeicherte Grenzwert, mit dem die in Schritt S3 ermittelte maximal bereitstellbare Ladespannung in Schritt S4 verglichen wird, ist daher 720 Volt.
Falls in Schritt S4 ermittelt wurde, dass die fahrzeugexterne Energiequelle eine Ladespannung bereitstellen kann, die mindestens so groß ist wie der Grenzwert, wird in Schritt S5 der Verbraucher 3, der ein Elektromotor ist, sowie potenziell weitere nicht gezeigte Verbraucher, von der Energiespeichereinrichtung 2 getrennt. Die Trennung erfolgt durch Ansteuerung der Schalter 7 durch die Steuereinrichtung 8. Entsprechend sind in 3 die Schalter 7 im geschlossenen und in 4 die Schalter 7 im offenen Zustand gezeigt. Durch die Trennung des Verbrauchers 3 wird erreicht, dass bei der nachfolgenden Erhöhung der Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 diese Spannung nicht an dem Verbraucher anliegt, weshalb der Verbraucher 3 nicht ausgebildet sein muss, um bei dieser erhöhten Spannung betrieben zu werden.
Anschließend folgt in Schritt S6 die Serienschaltung der ersten und zweiten Energiespeicherelemente bzw. der ersten und zweiten Gruppe. Hierzu steuert die Steuereinrichtung 8 die Schalter 16, 17 und 18 in der Energiespeichereinrichtung 2 an. Die Stellung der Schalter 16, 17, 18 vor der Umschaltung ist in 3 gezeigt und die Stellung nach dem Umschalten in 4. Über den Schalter 16 ist ein erster Anschlusspunkt der ersten Gruppe 10 mit einem ersten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe 13 verbunden, über den Schalter 17 der erste Anschlusspunkt der ersten Gruppe 10 mit einem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe 13 und über den Schalter 18 ein zweiter Anschlusspunkt der ersten Gruppe 10 mit dem zweiten Anschlusspunkt der Gruppe 13. Die ersten Anschlusspunkte der Gruppen 10, 13 stellen dabei jeweils die Pluspole der jeweiligen Gruppe 10, 13 dar und die zweiten Anschlusspunkten die Minuspole der jeweiligen Gruppe 10, 13.
Im Fahrbetrieb, das heißt bei Nichterfüllung der Ladebedingung sind die Schalter 16, 18 geschlossen und der Schalter 17 geöffnet, womit die erste Gruppe 10 und die zweite Gruppe 13 parallel geschaltet sind und daher die ersten Energiespeicherelemente 11, 12 zu den zweiten Energiespeicherelementen 14, 15 parallel geschaltet sind.
Nach dem Umschalten in Schritt S6 sind, wie in 4, gezeigt die Schalter 16, 18 geöffnet und der Schalter 17 geschlossen. Damit ist die erste Gruppe 10 in Serie mit der zweiten Gruppen 13 geschaltet und damit die ersten Energiespeicherelemente 11, 12 in Serie mit den zweiten Energiespeicherelementen 14, 15. Die Nennspannung der Energiespeichereinrichtung 2 ist daher um den Faktor 2 erhöht, also 720 Volt.
In Schritt S7 wird durch eine Kommunikation der Steuereinrichtung 8 mit der fahrzeugexternen Energiequelle die durch die Energiequelle zur Verfügung gestellte Ladespannung entsprechend angepasst, wonach in Schritt S8 die Ladeverbindungsvorrichtung 4 mit der Energiespeichereinrichtung 2 verbunden wird, indem die Schalter 5 geschlossen werden. Damit erfolgt in Schritt S9 ein Laden der Energiespeichereinrichtung 2 durch die fahrzeugexterne Energiequelle.
Nach dem Abschluss bzw. bei einem Unterbrechen des Ladens wird in Schritt S10 die Ladeverbindungseinrichtung durch Öffnen der Schalter 5 von der Energiespeichereinrichtung 2 getrennt, wonach in Schritt S11 durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalter 16, 17, 18 durch die Steuereinrichtung 8 die erste Gruppe 10 und die zweite Gruppe 13 der Energiespeicherelemente in der Energiespeichereinrichtung 2 wiederum parallel geschaltet werden. Anschließend wird in Schritt S12 der Verbraucher 3 durch Schließen der Schalter 7 wieder mit der Energiespeichereinrichtung 2 verbunden. Damit ist in Schritt S13 das Kraftfahrzeug 1 wieder fahrbereit und kann normal betrieben werden.
Wird in Schritt S4 ermittelt, dass die maximal bereitstellbare Ladespannung kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert, so erfolgt ein Laden der Energiespeichereinrichtung, ohne dass das wenigstens eine erste und das wenigstens eine zweite Energiespeicherelement 11, 12, 14, 15 bzw. die erste und die zweite Gruppe 10, 13 in Serie geschaltet werden. Das Laden erfolgt also bei einer Nennspannung der Energiespeichereinrichtung 2 von 360 Volt. Hierzu wird in Schritt S14, wie zu Schritt S8 beschrieben, die Ladeverbindungseinrichtung 4 durch Schalten der Schalter 5 mit der Energiespeichereinrichtung 2 verbunden, in Schritt S15 erfolgt ein Laden der Batterie und in Schritt S16 wird die Ladeverbindungseinrichtung 4 durch Öffnen der Schalter 5 wieder von der Energiespeichereinrichtung 2 getrennt. Das Verfahren endet in diesem Fall ebenfalls mit Schritt S13.
Mit dem in 1 dargestellten Verfahren und dem in 2 dargestellten Kraftfahrzeug 1 wird also erreicht, dass ein Laden mit einer erhöhten Spannung eines Gleichstromladegeräts erfolgen kann, wodurch bei gleichem Ladestrom eine höhere Ladeleistung und damit eine insgesamt verkürzte Ladezeit erreicht werden kann.
5 zeigt eine Energiespeichereinrichtung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs. Die Energiespeichereinrichtung 2 umfasst eine erste Gruppe 10 und eine zweite Gruppe 13 von Energiespeicherelementen sowie die zwei weiteren Energiespeicherelemente 19, 20. Durch eine nicht gezeigte Steuereinrichtung wird die Umschalteinrichtung 21 derart gesteuert, dass die Anschlüsse 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 der Umschalteinrichtung 21 in Abhängigkeit der Erfüllung der Ladebedingung verbunden oder getrennt werden. Ist die Ladebedingung nicht erfüllt, so sind die Anschlüsse 22, 24 und 28 mit dem Anschluss 29 verbunden, der Anschluss 23 ist mit dem Anschluss 25 verbunden und der Anschluss 26 mit dem Anschluss 27. Damit ist Anschluss 23 über die in Serie geschalteten weiteren Energiespeicherelemente 19, 20 mit dem Ausgang 29 verbunden und die weiteren Energiespeicherelemente 19, 20 sind somit parallel zur ersten Gruppe 10 und zur zweiten Gruppe 13 geschaltet. Bei Erfüllung der Ladebedingung steuert die nicht gezeigte Steuereinrichtung die Umschalteinrichtung 21 derart an, dass der Anschluss 22 mit dem Anschluss 25 und der Anschluss 26 mit dem Anschluss 29 verbunden ist, so dass das weitere Energiespeicherelement 19 in Serie mit den Energiespeicherelementen der ersten Gruppe 10 verbunden ist. Zudem wird der Anschluss 24 mit dem Anschluss 27 und der Anschluss 28 mit dem Anschluss 29 verbunden, so dass das weitere Energiespeicherelement 20 in Serie mit den Energiespeicherelementen der zweiten Gruppe 13 geschaltet ist. Anschluss 23 bleibt unverbunden. In diesem Fall sind die Energiespeicherelemente derart verbunden, dass jeweils drei Energiespeicherelemente in Serie geschaltet sind und zwei derartige Stränge parallel geschaltet sind. Daher ist die Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 gegenüber dem Fall, in dem die Ladebedingung nicht erfüllt ist, um den Faktor 1,5 erhöht.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem ersten Energiespeicherelement und wenigstens einem parallel zum ersten Energiespeicherelement geschalteten zweiten Energiespeicherelement in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Umschalteinrichtung bei Erfüllung einer eine Energiebereitstellung zum Laden der Energiespeichereinrichtung durch eine fahrzeugexterne Energiequelle anzeigenden Ladebedingung das erste und das zweite Energiespeicherelement in Serie geschaltet mit der fahrzeugexternen Energiequelle verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfülltsein der Ladebedingung in Abhängigkeit einer Verbindung einer Ladeverbindungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs mit der fahrzeugexternen Energiequelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeverbindungsvorrichtung bei nicht erfüllter Ladebedingung von der Energiespeichereinrichtung getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfüllung der Ladebedingung wenigstens ein Verbraucher, der im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch die Energiespeichereinrichtung versorgt wird, von der Energiespeichereinrichtung getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fahrzeugexterne Energiequelle ein Gleichstromladegerät, das Gleichstrom zum Laden des Energiespeichers bereitstellt, genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das vor und/oder während das Ladevorgangs durch das Gleichstromladegerät eine von dem Gleichstromladegerät maximal bereitstellbare Ladespannung an das Kraftfahrzeug kommuniziert wird, wobei das Erfülltsein der Ladebedingung in Abhängigkeit der maximal bereitstellbaren Ladespannung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfassen einer Verbindung einer Ladeverbindungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs mit der fahrzeugexternen Energiequelle, falls die maximal bereitstellbare Ladespannung kleiner ist als ein vorgegebener Spannungsgrenzwert, das erste und das zweite Energiespeicherelement parallel geschaltet werden oder bleiben und ein Aufladevorgang der Energiespeichereinrichtung begonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximal zur Verfügung gestellte Ladespannung des Gleichstromladegerätes wenigstens zweimal so groß ist wie eine Betriebsspannung der Energiespeichereinrichtung bei nichterfüllter Ladebedingung.
Kraftfahrzeug (1) mit einer Energiespeichereinrichtung (2) zur Energieversorgung wenigstens eines Verbrauchers (3), wobei die Energiespeichereinrichtung (2) wenigstens ein erstes und eine zweites Energiespeicherelementen (11, 12, 14, 15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (2) eine erste Gruppe (10) von mehreren Energiespeicherelementen (11, 12) und eine zweite Gruppe (13) von mehreren Energiespeicherelementen (14, 15) umfasst, wobei die Energiespeicherelemente (11, 12, 14, 15) innerhalb der jeweiligen Gruppe (10, 13) parallel und/oder seriell und/oder teilweise seriell und teilweise parallel verschaltet sind, wobei jede Gruppe (10, 13) einen ersten und einen zweiten Anschlusspunkt aufweist, über die den Energiespeicherelementen (11, 12, 14, 15) der jeweilige Gruppe Strom zugeführt und/oder entnommen werden kann und zwischen denen eine Gruppenspannung abfällt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Nichterfüllung der Ladebedingung den ersten Anschlusspunkt der ersten Gruppe (10) mit dem ersten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe (13) und den zweiten Anschlusspunkt der ersten Gruppe (10) mit dem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe (13) zu verbinden, und bei Erfüllung der Ladebedingung den ersten Anschlusspunkt der ersten Gruppe (10) mit dem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Gruppe (13) zu verbinden.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (2) wenigstens zwei weitere Energiespeicherelemente (19, 20) umfasst, wobei die Umschalteinrichtung (21) ausgebildet ist, die weiteren Energiespeicherelemente (19, 20) bei Nichterfüllung der Ladebedingung parallel zur ersten und zur zweiten Gruppe (10, 13) zu schalten, und bei Erfüllung der Ladebedingung wenigstens eines der weiteren Energiespeicherelemente (19) in Serie mit der ersten Gruppe (10) und wenigstens eines der weiteren Energiespeicherelemente (20) in Serie mit der zweiten Gruppe (13) zu schalten, wobei die erste und die zweite Gruppe (10, 13) parallel geschaltet sind.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) eine Steuereinrichtung (8) umfasst, die dazu ausgebildet ist, als Ladeinformation eine Verbindung einer Ladeverbindungsvorrichtung (4) des Kraftfahrzeugs (1) mit der fahrzeugexternen Energiequelle und insbesondere eine maximale Ladespannung der fahrzeugexternen Energiequelle zu erfassen und die Umschalteinrichtung (21) in Abhängigkeit der Ladeinformation anzusteuern.