-
Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum parallelen schaltbaren Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Energiespeichern mit einer elektrischen Anlage, mit jeweils einem Energiespeicheranschluss zum Anschließen an jeden der elektrischen Energiespeicher, einem Anlagenanschluss zum Anschließen an die elektrische Anlage, jeweils ein an einen der Energiespeicheranschlüsse angeschlossenes elektrische Schaltmittel zum schaltenden elektrischen Verbinden des jeweiligen der Energiespeicheranschlüsse mit dem Anlagenanschluss, einer Steuereinheit zum Steuern der Schaltmittel, an die die Schaltmittel angeschlossen sind, sowie den Schaltmitteln zugeordnete Stromsensoren zum Erfassen jeweils eines das jeweilige Schaltmittel beaufschlagenden elektrischen Stromes, wobei die Stromsensoren an die Steuereinheit angeschlossen sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs, einer elektrischen Anlage, über die die Antriebsvorrichtung für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist, sowie wenigstens zwei, die elektrische Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb bereitstellende elektrische Energiespeicher. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum parallelen schaltbaren Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Energiespeichern mit einer elektrischen Anlage, wobei jeweils ein Energiespeicheranschluss der Energiespeicher mittels eines elektrischen Schaltmittels schaltend elektrisch mit einem Anlagenanschluss verbunden wird, wobei die Schaltmittel mittels einer Steuereinheit gesteuert werden und wobei mittels den Schaltmitteln zugeordneter Stromsensoren jeweils ein das jeweilige Schaltmittel beaufschlagender elektrischer Strom erfasst wird.
-
Gattungsgemäße Schaltvorrichtungen, insbesondere für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen, sowie Verfahren zu deren Betrieb sind dem Grunde nach aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2009 019 531 A1 eine derartige Schalteinrichtung, die für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Diese Schalteinrichtung weist Schaltmittel auf, die aus einer Parallelschaltung von zwei antiparallel geschalteten Isolated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) gebildet ist, wobei jeder Schaltungszweig der Parallelschaltung ergänzend kollektorseitig eine zum IGBT in Reihe geschaltete Diode aufweist. Zu der Parallelschaltung aus den beiden IGBTs ist ergänzend eine Reihenschaltung aus Relaiskontakten mit MOSFETs parallelgeschaltet. Dem Grunde nach hat sich die Schalteinrichtung zwar bewährt, jedoch zeigt sie einige Nachteile. So ist einerseits der Schaltungsaufwand erheblich, weil zu den IGBTs eines jeweiligen Schaltmittels ergänzend MOSFETs mit Relaiskontakten vorzusehen sind. Darüber hinaus erweist es sich als steuerungstechnisch ungünstig, dass die Gate-Anschlüsse der IGBTs mit einem elektrischen Potenzial in Bezug auf die jeweiligen Emitter angesteuert werden müssen, wodurch unterschiedliche Bezugspotentiale für die Ansteuerung der IGBTs vorzusehen sind. Bei der in der
DE 10 2009 019 531 A1 vorgesehenen Schaltung erfordert dies eine galvanische Trennung bezüglich einer Steuereinheit, die die entsprechenden Signale zum Schalten der IGBTs bereitstellt. Zudem ist ergänzend Steuerungsaufwand für die MOSFETs und für die Relaiskontakte erforderlich.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schalteinrichtung, ein Fahrzeug mit einer solchen Schalteinrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb weiterzubilden, um die vorgenannten Nachteile ausräumen zu können.
-
Als Lösung schlägt die Erfindung eine Schalteinrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Fahrzeugseitig wird ein Fahrzeug gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 3 vorgeschlagen. Schließlich wird verfahrensseitig ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 4 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
-
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass bei einer gattungsgemäßen Schalteinrichtung das Schaltmittel eine Reihenschaltung von zwei gleichartigen Transistoren mit jeweils einer Inversdiode umfasst, wobei die Transistoren in der Reihenschaltung antiseriell geschaltet sind. Diese Ausgestaltung erlaubt es, nicht nur steuerungsseitig den Aufwand erheblich zu vereinfachen, weil Steuerelektroden der jeweiligen Transistoren eines Schaltmittels in Bezug auf ein gemeinsames Bezugspotenzial gesteuert werden können. Dadurch kann nicht nur der Steuerungsaufwand vereinfacht, sondern auch die Zuverlässigkeit in Beug auf elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden. Zugleich erlaubt es die Erfindung, eine leistungsseitig aufwändige Parallelschaltung zu vermeiden, die nicht nur hinsichtlich Gewicht und Volumen, sondern auch hinsichtlich des Montageaufwands ungünstig ist. Eine Reihenschaltung gerade im Leistungsbereich ist einfacher und kostengünstiger zu realisieren. Darüber hinaus ergeben sich auch Vorteile in Bezug auf die elektrische Sicherheit und die Isolation.
-
Ein Transistor, der sich für die Erfindung eignet, ist beispielsweise ein Halbleitertransistor wie ein bipolarer Transistor, insbesondere einer, in dem die Inversdiode bereits integriert ist, so dass ein separates Bauteil nicht erforderlich ist. Natürlich kann die Inversdiode auch als separates Bauteil parallel zu einer Schaltstrecke des Transistors angeschlossen sein. Dabei ist die Durchlassrichtung der Inversdiode entgegengesetzt zur Durchlassrichtung der Schaltstrecke des Transistors im bestimmungsgemäßen Betrieb. Ein solcher Transistor kann beispielsweise ein IGBT, aber auch ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere ein Metalloxid-Semiconductor FET (MOSFET) sein. Gleichartig sind Transistoren, deren physikalische Eigenschaften sich im Wesentlichen entsprechen, beispielsweise NPN-Transistoren, vorzugsweise mit gleicher Strom- und Spannungsbelastbarkeit, n-Kanal-MOSFETs oder dergleichen. Hinsichtlich der Inversdiode bei Feldeffekt-Transistoren gilt analog das zu bipolaren Transistoren ausgeführte. Dem Grunde nach kann die Erfindung natürlich auch mit Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO), Vakuumröhren, beispielsweise einer Triode oder dergleichen, realisiert werden. Bei dem vorgesehenen Einsatz dürfte jedoch ein Halbleitertransistor, wie zuvor genannt, bevorzugt sein.
-
In Bezug auf die Reihenschaltung ist vorgesehen, dass bei bipolaren Transistoren beispielsweise NPN-Transistoren oder alternativ PNP-Transistoren zum Einsatz kommen können, wobei die Transistoren jeweils emitterseitig miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Die Steuerelektroden, die an die Steuereinheit angeschlossen sind, sind durch die jeweiligen Basen der Transistoren bereitgestellt. Werden als Transistoren beispielsweise MOSFETs eingesetzt, so können entweder n-Kanal-MOSFETS oder alternativ p-Kanal-MOSFETs eingesetzt werden. Die Reihenschaltung ist in diesem Fall dadurch gebildet, dass die jeweiligen Source-Anschlüsse der MOSFETs elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die jeweiligen Gate-Anschlüsse an die Steuereinheit angeschlossen sind. Die Anschlüsse des Schaltmittels werden durch die jeweiligen Kollektoranschlüsse bei bipolaren Transistoren beziehungsweise Drain-Anschlüsse bei Feldeffekt-Transistoren der jeweiligen Reihenschaltung erreicht.
-
Die elektrische Anlage ist beispielsweise eine Anlage eines Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus kann die elektrische Anlage natürlich auch eine elektrische Anlage einer Immobilie, beispielsweise eines Gebäudes, insbesondere eines Hauhalts, einer Fabrik, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein. Die elektrische Anlage dient der Verteilung elektrischer Energie von einer elektrischen Energiequelle zu entsprechenden elektrischen Energiesenken, beispielsweise elektrischen Verbrauchern oder dergleichen.
-
Ein elektrischer Energiespeicher ist eine Einrichtung zum Speichern von elektrischer Ladung. Der Energiespeicher ist vorzugsweise aufladbar, so dass er bei Betrieb an der elektrischen Anlage nicht nur elektrische Energie bereitstellt, sondern auch aufnehmen kann. Ein solcher Energiespeicher ist beispielsweise ein Akkumulator oder dergleichen. Der Energiespeicher weist zum Anschließen an die elektrische Anlage in der Regel wenigstens zwei Anschlüsse auf, an denen eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt wird und über die ein elektrischer Stromkreis geschlossen werden kann. Einer der Anschlüsse des Energiespeichers ist beispielsweise fest, insbesondere permanent, an die elektrische Anlage angeschlossen. Ein weiterer der beiden Anschlüsse ist vorzugsweise an den Energiespeicheranschluss der Schalteinrichtung angeschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, den Energiespeicher mittels der Steuerung der Schalteinrichtung in gewünschter Weise an der elektrischen Anlage zu betreiben, so dass er entweder Energie bereitstellt oder Energie aufnimmt. Durch geeignetes Steuern des Betriebs des jeweiligen Energiespeichers kann damit auch sein Ladungszustand (SOC) oder dergleichen beeinflusst werden. Der elektrische Energiespeicher basiert auf elektrochemischer Speicherung von Energie und stellt an seinen Anschlüssen in der Regel eine Gleichspannung bereit. Dadurch eignet sich der Energiespeicher insbesondere auch zum Betrieb bei zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Besonders vorteilhaft ist im letzteren Fall vorgesehen, dass der Energiespeicher über Anschlusskontakte auf einfache Weise mit der elektrischen Anlage beziehungsweise der elektrischen Schalteinrichtung elektrisch verbunden werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Energiespeicher unter vorgebbaren Bedingungen ausgewechselt werden soll.
-
Die Schalteinrichtung kann als separate Baueinheit aber auch integral mit der elektrischen Anlage ausgebildet sein. Vorzugsweise weist sie für jeden der Energiespeicher, der an die elektrische Anlage angeschlossen ist, ein elektronisches Schaltmittel zum schaltenden elektrischen Verbinden des jeweiligen der Energiespeicheranschlüsse mit dem Anlagenanschluss auf. Hierüber wird der elektrische Stromkreis unter Einbeziehung des jeweiligen Energiespeichers geschlossen beziehungsweise geschlossen. Das Schaltmittel wird üblicherweise mittels einer Steuereinheit gesteuert, die beispielsweise Bestandteil der Schalteinrichtung aber auch der elektrischen Anlage oder weiteren Steuereinrichtungen sein kann. Zu diesem Zweck ist das Schaltmittel an die Steuereinheit angeschlossen. Die Steuereinheit kann beispielsweise die Steuersignale, die für den Betrieb der im Schaltmittel vorgesehenen Transistoren erforderlichen Signale unmittelbar bereitstellen. Beispielsweise kann die Steuereinheit zu diesem Zweck eine Treibereinheit umfassen. Die Treibereinheit kann jedoch auch am jeweiligen Schaltmittel, beispielsweise an dem jeweiligen zugeordneten Transistor vorgesehen sein.
-
Die Schalteinrichtung weist ferner vorzugsweise für jedes Schaltmittel einen dem jeweiligen Schaltmittel zugeordneten Stromsensor auf, mittels dem ein das jeweilige Schaltmittel beaufschlagender elektrischer Strom erfasst werden kann. Vorzugsweise sind auch die Stromsensoren an die Steuereinheit angeschlossen, so dass es der Steuereinheit ermöglicht wird, bei der Steuerung der Schaltmittel, insbesondere der Transistoren die jeweilige Strombeaufschlagung zu berücksichtigen. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Stromsensor am Verbindungspunkt der beiden Transistoren angeordnet ist. Dadurch braucht der Stromsensor nur das Bezugspotenzial nutzen, welches durch verbundene Emittoren bei bipolaren Transistoren beziehungsweise verbundene Source-Anschlüsse bei Feldeffekt-Transistoren bereitgestellt wird. Dies vereinfacht die Schaltungstechnik. Der Stromsensor erfasst vorzugsweise den Summenstrom des Transistors mit seiner ihm zugeordneten Inversdiode.
-
Fahrzeugseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass die elektrischen Energiespeicher mittels einer Schalteinrichtung gemäß der Erfindung schaltbar mit der elektrischen Anlage des Fahrzeugs verbindbar sind. Dadurch lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch bei Fahrzeugen realisieren. Ein Fahrzeug im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, die mittels der Antriebsvorrichtung zum Transport von Gegenständen und/oder Personen genutzt werden kann. Das Fahrzeug weist vorzugsweise wenigstens eine elektrische Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine und gegebenenfalls mit einem Wechselrichter auf. Diese kann mit einer verbrennungskraftbetriebenen Antriebsvorrichtung kombiniert sein, beispielsweise bei einem Hybridfahrzeug. Das Fahrzeug kann nicht nur ein landgestützes Fahrzeug, sondern auch ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug sein.
-
Verfahrensseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass eine das Schaltmittel bildende Reihenendschaltung von zwei gleichartigen Transistoren mit jeweils einer Inversdiode, wobei die Transistoren in Reihenschaltung antiseriell geschaltet sind, mittels einer Steuereinheit in Abhängigkeit eines Energiespeicherzustands gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die elektrischen Energiespeicher in vorgebbarer Weise derart zu steuern, dass ein optimierter Betrieb anlagenseitig erreicht werden kann. Darüber hinaus ist es mit der Erfindung möglich, auch sehr unterschiedlich gestaltete elektrische Energiespeicher derart zu steuern, dass ein zuverlässiger Betrieb an der elektrischen Anlage erreicht werden kann. Insbesondere können ungünstige Ausgleichsvorgänge unterdrückt sowie starke Ent- oder Überladungsvorgänge weitgehend vermieden werden.
-
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Schaltmittel in Abhängigkeit eines Ladungszustands und/oder eines Alterungszustands gesteuert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass ein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Anlage über einen möglichst weiten Zeitraum gewährleistet werden kann.
-
Besonders vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn bei einer Spannungsbeaufschlagung eines als MOSFET ausgebildeten Transistors, bei welcher die Inversdiode in Durchlassrichtung elektrisch vorgespannt wird, der MOSFET eingeschaltet wird. Üblicherweise ist heutzutage der Durchlasswiderstand eines MOSFETs im eingeschalteten Zustand derart niedrig, dass die Verlustleistung erheblich geringer ist, als bei Betrieb der Inversdiode. Dabei wird der Sachverhalt genutzt, dass im eingeschalteten Zustand die Schaltstrecke zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss von elektrischem Strom in beide Richtungen beaufschlagt werden kann. Wenn also die Inversdiode in Durchlassrichtung elektrisch vorgespannt ist, kann durch Einschalten des MOSFET die Verlustleistung erheblich reduziert werden. Insgesamt kann sich dadurch ein höherer Wirkungsgrad und eine geringere thermische Beanspruchung des Schaltmittels ergeben.
-
Die Erfindung bezieht sich folglich insbesondere auf Systeme, bei denen entfernbare Akkumulatoren in Form von Batteriepaketen zur Energieversorgung der elektrischen Anlage genutzt werden. Dabei erweist sich die Erfindung als vorteilhaft, wenn Batteriepakete mit unterschiedlichem Ladungszustand hinzugefügt beziehungsweise entfernt werden. Jedes Batteriepaket kann dadurch zur Energieanforderung gemäß seinem Ladungszustand beitragen. Die Erfindung basiert dabei darauf, dass die Energiespeicher, hier die Batteriepakete, im Parallelbetrieb an der elektrischen Anlage betrieben werden können. Mit der Erfindung ist es daher möglich, elektrische Energie von sämtlichen, an der elektrischen Anlage angeschlossenen Batteriepaketen zu beziehen, um die Verfügbarkeit elektrischer Energie in der elektrischen Anlage zu erhöhen. Dabei ermöglicht es die Erfindung, den Ladungszustand der parallelen Batteriepakete anzugleichen. Von der elektrischen Anlage entfernte Batteriepakte können darüber hinaus sicher gehandhabt und transportiert werden.
-
Bei vergleichbaren elektrischen Anlagen des Stands der Technik muss sichergestellt werden, dass alle Batteriepakete den gleichen Ladungszustand aufweisen oder über schaltende Energiekoppler, insbesondere DC/DC-Wandler miteinander und der elektrischen Anlage verbunden werden. Zum Einen erweist es sich als nachteilig, das bei ungleichen Ladungszuständen der Batteriepakete große und gefährliche Ausgleichsströme zwischen den Batteriepakten auftreten können. Weiterhin erweist es sich als nachteilig, dass die verfügbare Anlagenleistung auf die maximale Leistung eines einzelnen Batteriepakets mit dem höchsten Ladungszustand begrenzt ist, bis der Ladungszustand sich an den Ladungszustand der anderen Batteriepakete angeglichen hat.
-
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich ergänzend dahingehend, dass die Leistungsverfügbarkeit, die Einfachheit, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit bei mehreren parallelen Batteriepakten verbessert werden kann. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann deshalb in beliebiger Weise ein Austausch von Batteriepaketen mit individuellen Ladungszuständen vorgesehen sein, ohne die Zuverlässigkeit des bestimmungsgemäßen Betriebs zu beeinträchtigen.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend.
-
Es zeigt die einzige Figur ein schematisches Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung.
-
Die einzige Figur zeigt eine Schalteinrichtung 20 zum parallelen schaltbaren Verbinden von zwei Akkumulatoren 34, 36, die jeweils in Stapelbauweise aus galvanischen Zellen gebildet sind, und die elektrische Energiespeicher bilden, die mittels der Schalteinrichtung 20 mit einer elektrischen Anlage 10 eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs elektrisch verbinden. Die Schalteinrichtung 20 weist für jeden der Akkumulatoren 34, 36 einen Energiespeicheranschluss 46, 48 zum Anschließen an den jeweiligen der Akkumulatoren 34, 36 auf. Die Schalteinrichtung 20 weist ferner einen Anlagenanschluss 50 zum Anschließen an die elektrische Anlage 10 auf. Der elektrische Anschluss 50 stellt zwei Anschlusskontakte hierfür bereit. Einer der beiden Anschlusskontakte ist mit jeweils einen Anschluss der Akkumulatoren 34, 36 verbunden. Vorliegend sind dies die negativen Anschlüsse der Akkumulatoren 34, 36.
-
Jeweils ein an einen der Energiespeicheranschlüsse 46, 48 angeschlossenes elektronisches Schaltmittel 22, 24 der Schalteinrichtung 20 dient zum schaltenden elektrischen Verbinden des jeweiligen der Energiespeicheranschlüsse 46, 48 mit dem Anlagenanschluss 50, und zwar dem anderen der beiden Anschlusskontakte. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zu den Akkumulatoren 34, 36 schaltbar hergestellt. Die Akkumulatoren 36, 34 weisen jeweils zwei Anschlüsse auf, von denen jeweils einer an die Energiespeicheranschlüsse 46, 48 angeschlossen ist. Der jeweils andere Anschluss der Akkumulatoren 34, 36 ist an ein elektrisches Bezugspotenzial des Fahrzeugs angeschlossen, hier eine nicht dargestellte Fahrzeugmasse. An diese Fahrzeugmasse ist auch der zweite Anschlusskontakt des Anlagenanschlusses 50 angeschlossen. Hierüber wird der Stromkreis in Bezug auf die Akkumulatoren 34, 36 geschlossen.
-
Die Schalteinrichtung 20 umfasst ferner für jedes der Schaltmittel 22, 24 eine eigene Steuereinheit 26, 28, die dem Steuern des jeweiligen Schaltmittels 22, 24 dient. Zu diesem Zweck sind die Schaltmittel 24, 26 an die jeweilige Steuereinheit 26, 28 angeschlossen. Darüber hinaus umfasst die Schalteinrichtung 20 den Schaltmitteln 24, 26 zugeordnete Stromsensoren 30, 32, die dem Erfassen eines das jeweilige Schaltmittel 22, 24 beaufschlagenden elektrischen Stromes dienen. Die Stromsensoren 30, 32 sind ebenfalls entsprechend an die Steuereinheiten 26, 28 angeschlossen. Die Steuereinheiten 26, 28 können dem Grunde nach auch zu einer gemeinsamen Steuereinheit zusammengefasst sein.
-
Erfindungsgemäß umfasst jedes der Schaltmittel 22, 24 eine Reihenschaltung von zwei gleichartigen Transistoren 38, 40, 42, 44 mit jeweils einer Inversdiode. Die Transistoren einer jeweiligen Reihenschaltung sind antiseriell geschaltet. Vorliegend sind die Transistoren 38, 40, 42, 44 durch n-Kanal-MOSFETs gebildet, deren Source-Anschlüsse zur Ausbildung der Reihenschaltung jeweils elektrisch miteinander verbunden sind. Im Bereich der Source-Anschlüsse ist ferner für jedes Schaltmittel 22, 24 der entsprechende zugehörige Stromsensor 30, 32 angeschlossen. Hierdurch können sowohl Gate-Anschlüsse der MOSFETs 38, 40. 42, 44 als auch Sensor-Anschlüsse der Stromsensoren 30, 32 über ein gleiches Bezugspotential verarbeitet werden, so dass eine einfache elektrische Signalverarbeitung erreicht werden kann. Dadurch können in den Steuereinheiten 26, 28 für die MOSFETs 38, 40. 42. 44 jeweils eine Treibereinheit aufweisen, die schaltmittelseitig das gleiche elektrische Bezugspotenzial nutzt. Dieses braucht nicht identisch mit der Fahrzeugmasse zu sein. Jeder der MOSFETs 38, 40. 42. 44 hat eine Inversdiode integriert, die zu seiner durch eine Source-Drain-Strecke gebildeten Schaltstrecke parallelgeschaltet ist.
-
Die Steuereinheiten 26. 28 steuern die Schaltmittel 22, 24, das heißt, insbesondere die MOSFETs 38, 40, 42, 44 in Abhängigkeit eines Energiespeicherzustands der Akkumulatoren 34, 36.
-
Insgesamt behebt die Erfindung das Problem des Betreibens von Batteriepaketen 34, 36 mit unterschiedlichem Ladungszustand in einer elektrischen Anlage 10 und erlaubt die Batteriepakte 34, 36 einen nahezu gleichen Ladungszustand auf gesteuerte und sichere Art und Weise zu erlangen. Die Erfindung erlaubt insbesondere Batteriepaketen 34, 36 mit unterschiedlichem Ladungszustand eine Belastung, insbesondere Stromanforderungen, nach der Maßgabe, wie viel jedes Batteriepaket 34, 36 basierend auf seinem Ladezustand beitragen kann, zu verteilen. Zum Beispiel kann bei zwei Batteriepakten 34, 36 eine Stromanforderung von 100 Ampere derart verteilt werden, dass eines der Batteriepakte einen Strom von 65 Ampere und das andere einen von 35 Ampere bereitstellt. Zugleich lässt sich erreichen, dass bei Abschalten der Last große Ströme von dem Batteriepaket mit dem höheren Ladezustand strömen. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Last, die von dem Batteriepaket mit dem größeren Ladungszustand vollständig abgedeckt werden kann, nur dieses Batteriepaket mit dem höheren Ladungszustand aktiviert wird. Dadurch ergibt sich auf natürliche Weise, dass sich der Ladungszustand des Batteriepakets mit dem höheren Ladezustand mit der Zeit an den Ladezustand des Pakets mit dem niedrigeren Ladezustand annähert. Wenn der Ladezustand der Batteriepakete 34, 36 genügend gleich ist, dass ohne Last nun kein kleiner Strom von dem Batteriepaket mit dem höheren Ladungszustand zu dem Batteriepaket mit dem kleineren Ladungszustand strömt, kann ein solcher Strom freigegeben werden, so dass die Batteriepakete 34, 36 den gleichen Ladungszustand schneller erreichen können. Zusätzlich können auch Wirkungsgrad berücksichtigt werden, um bestimmte Betriebszustände der Batteriepakete 34, 36 zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren. Mit der Erfindung ist es möglich, eine Vielzahl von Batteriepaketen unabhängig von ihrem Anfangsladungszustand im Parallelbetrieb an der elektrischen Anlage zu betreiben. Dabei ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei elektrischen Fahrzeugen beschränkt.
-
Auch wenn das Ausführungsbeispiel lediglich die Anwendung bei zwei Batteriepaketen 34, 36 zeigt, dürfte es für den Fachmann klar sein, die erfindungsgemäße Schalteinrichtung für eine beliebige Anzahl von Batteriepaketen beziehungsweise Energiespeichern in entsprechender Weise vorzusehen.
-
Die Funktion eines jeweiligen Schaltmittels 22, 24 wird im Folgenden anhand des Schaltmittels 24 weiter erläutert. In der vorliegenden Ausgestaltung sind die beiden Schaltmittel 22, 24 identisch, weshalb die folgenden Ausführungen ebenso für das Schaltmittel 22 anwendbar sind. Im Übrigen gilt dies natürlich auch für jedes weitere optional hinzufügbare Schaltmittel.
-
Das Schaltmittel 24 benutzt einen der MOSFETs, nämlich den MOSFET 38 als Ladetransistor, der dazu dient, einen Ladestrom für den Akkumulator 34 zu steuern. Der zweite MOSFET 40 dient dagegen dazu, einen Entladestrom des Akkumulators 34 zu steuern. Die entsprechende zugeordnete Steuereinheit 28 ermittelt, wann jeder der MOSFETs 38, 40 ein- oder ausgeschaltet ist. Mit dem Stromsensor 30 kann ein Stromfluss durch die MOSFETs 38, 40 ermittelt werden. Er liefert ein entsprechendes Sensorsignal an die Steuereinheit 28, an die er angeschlossen ist Die Steuereinheiten 26, 28 stehen kommunikationstechnisch mit einer Fahrzeugsteuerung 12 des Fahrzeugs in Verbindung. Vorliegend dient als Kommunikationsprotokoll ein CAN-Bus. Es kann jedoch auch ein anderes Kommunikationsprotokoll in geeigneter Weise genutzt werden.
-
Das Fahrzeug hat typischerweise drei Betriebszustände. Ein erster Betriebszustand ist ein Fahrzustand des Fahrzeugs, bei dem die Energiespeicher elektrische Energie bereitstellen, also einen Strom liefern. Ein zweiter Zustand ist ein Neutralzustand, bei dem kein Energiefluss stattfindet. Ein dritter Betriebszustand ergibt sich beim regenerativen Bremsen, bei dem Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie gewandelt und diese den Energiespeichern zu geführt wird.
-
Mit dem Wissen des aktuellen Betriebszustands des Fahrzeugs können die Steuereinheiten 26, 28 einen geeigneten, zuverlässigen Energiefluss von beziehungsweise zu den entsprechenden Akkumulatoren 34, 36 steuern. Durch Vergleich eines erwarteten Stroms mit einem aktuellen Strom können die Steuereinheiten 26, 28 ermitteln, welcher der MOSFETs 38, 40, 42, 44 eingeschaltet und welche ausgeschaltet werden soll. Eine weitere Untersuchung eines Fahrzeugs im Fahrbetrieb zeigt, wie die Steuereinheiten 26, 28 in Bezug auf jeden der Akkumulatoren 34, 36 in Abhängigkeit des Stromflusses reagieren. Es wird darauf hingewiesen, dass bis hierher der Ladezustand der Akkumulatoren 34, 36 noch nicht berücksichtig worden ist, das heißt, dass die Steuereinheiten 26, 28 diese Information nicht benötigen.
-
Im Folgenden wird angenommen, dass der Akkumulator 34 einen niedrigeren Ladungszustand als der Akkumulator 36 hat. Wenn die Akkumulatoren 34, 36 gleichzeitig parallel miteinander verbunden werden würden, würde ein Ausgleichsstrom vom Akkumulator 36 in den Akkumulator 34 strömen. Die Größe dieses Stroms ist abhängig von internen Impedanzen der Akkumulatoren 34, 36. Wenn die Ladungszustände sehr unterschiedlich sind, ist dieser Strom sehr signifikant.
-
Es wird ferner angenommen, dass beide Akkumulatoren 34, 36 bereits im Fahrzeug angeordnet sind und das Fahrzeug deaktiviert ist. Beim Einschalten des Fahrzeugs schaltet die Steuereinheit 26 initial den für den Entladung zuständigen MOSFET 44 ein und den für das warten zuständigen MOSFET 42 aus. Dabei ist zu beachten, dass, obwohl der MOSFET 42 ausgeschaltet ist, ein Strom dennoch fließen kann, und zwar auf Grund der im MOSFET 42 enthaltenen Inversdiode. In diesem Zustand wird der Akkumulator 36 normalerweise beginnen, einen Strom in die elektrische Anlage 10 über die Inversdiode des MOSFET 42 einzuspeisen. Darüber hinaus könnte ebenfalls eine Veranlassung stehen, Strom vom Akkumulator 36 in den Akkumulator 34 einzuspeisen. Dies wird jedoch durch den MOSFET 38 verhindert, weil dieser abgeschaltet ist. Die elektrische Anlage 10 ist nun in einem Betriebszustand, bei dem der Akkumulator 36 die elektrische Anlage 10 durch die Inversdiode des MOSFET 42 speist. Zu diesem Zeitpunkt ist der bereitgestellte Strom durch den Akkumulator 36 ausreichend, die elektrische Anlage 10 hinreichend mit elektrischer Energie zu versorgen.
-
Es wird nun angenommen, dass sich das Fahrzeug im Fahrzustand befindet und beschleunigt wird und eine hohe Stromanforderung aus den Akkumulatoren 34, 36 vorliegt. Wenn der Strom durch die Inversdiode des MOSFET 42 steigt, wird die Steuereinheit 26 dies detektieren. Infolgedessen wird nun der MOSFET 42 eingeschaltet, so dass der Strom von seiner Inversdiode auf die Schaltstrecke des MOSFET 42 übergeht. Dadurch kann der Spannungsabfall am MOSFET 42 insgesamt reduziert werden, so dass auch insgesamt die Verlustleistung abnimmt. Der Akkumulator 36 übernimmt weiterhin die Versorgung der gesamten Energieanforderung solange, wie die Inversdiode des MOSFET 38 in Sperrrichtung mit Spannung beaufschlag ist. Dies ist der Fall, solange die Spannung des Akkumulators 36 größer ist als die Spannung des Akkumulators 34 erhöht um die Durchlassspannung der Inversdiode.
-
Angenommen die Last steigt weiter bis zu einem Punkt, bei dem die Spannung des Akkumulators 36 weit genug abgefallen ist, dass die Inversdiode des MOSFET 38 in Durchlassrichtung vorgespannt ist und ein kleiner Strom durch den MOSFET 38 zu fließen beginnt. An diesem Punkt beginnt der Akkumulator 34 gerade mit der Energieversorgung. Wenn die Last weiter steigt, steigt auch der Strom durch die Inversdiode des MOSFET 38, weil die Vorspannung sich entsprechend erhöht. Wenn der Strom einen vorgegebenen Vergleichswert erreicht, schaltet die Steuereinheit 28 den MOSFET 38 ein, so dass – ebenso wie beim MOSFET 42 – der Strom von seiner Inversdiode auf die Schaltstrecke übergeht. Zu diesem Zeitpunkt sind beide Akkumulatoren 34, 36 an der Energiebereitstellung für die elektrische Anlage 10 beteiligt, wobei jeder Akkumulator 34, 36 einen entsprechenden Anteil an dem bereitzustellenden Strom in Abhängigkeit von seinem Innenwiderstand bereitstellt.
-
Im Folgenden wird angenommen, dass, wenn die Lastanforderung zurückgeht, das Fahrzeug nach wie vor im Fahrbetrieb ist. Wenn in diesem Fall die Spannungen beider Akkumulatoren 34, 36 ansteigen, wird der Akkumulator 36 natürlicherweise beginnen, Strom in den Akkumulator 34 einzuspeisen und zugleich in die elektrische Anlage 10, weil der MOSFET 38 nach wie vor eingeschaltet ist. Die Steuereinheit 28 wird diesen Strom in den Akkumulator 34 erfassen. Da die Steuereinheit 28 die Information hat, dass das Fahrzeug sich im Fahrbetrieb befindet, wird es nun den MOSFET 38 ausschalten, um dadurch einen Stromfluss in den Akkumulator 34 zu verhindern, um den Akkumulator 36 nicht zusätzlich zu belasten.
-
Wenn die Belastung ansteigt oder abfällt, neigt der Ladungszustand es Akkumulators 36 dazu, sich dem Ladungszustand des Akkumulators 34 anzunähern, weil der Akkumulator 36 während der gemeinsamen Versorgungsphase mehr elektrische Energie bereitstellt als der Akkumulator 34. Sollten beide Ladungszustände der Akkumulatoren 34, 36 gleich werden, können die Steuereinheiten 26, 28 die MOSFETs 38, 42 im eingeschalteten Zustand belassen. In diesem Zustand sind die beiden Akkumulatoren 34, 36 in einem sicheren elektrisch verbundenen Zustand.
-
Einfache Vergleichswerte für Ströme können dadurch bestimmt sein, dass der Stromfluss in den Akkumulator 34 unter einem Vergleichswert ist, bei dem der MOSFET 38 eingeschaltet bleibt und der Akkumulator 36 den Akkumulator 34 lädt. Dies kann zum Beispiel vorgesehen sein, wenn eine Energieanforderung der elektrischen Anlage 10 reduziert oder freigegeben wird und sich das Fahrzeug im Neutralzustand befindet, wobei der Stromfluss in den Akkumulator 34 unterhalb des Vergleichswerts ist. Dies ist beispielsweise der Punkt, bei dem der Ladungszustand des Akkumulators 36 den Ladungszustand des Akkumulators 34 erreicht. Die Steuereinheit 28 kann dann den MOSFET 38 eingeschaltet lassen, sodass der Akkumulator 36 den Akkumulator 34 sicher laden kann und dadurch eine Angleichung der Ladungszustände erreicht.
-
Nachfolgend wird angenommen, dass das Fahrzeug einen regenerativen Bremsmodus einnimmt. Gleichzeitig wird angenommen, dass der Ladungszustand des Akkumulators 36 nach wie vor größer als der des Akkumulators 34 ist. Hierbei wird eine elektrische Maschine 14, die dem Antrieb des nicht dargestellten Fahrzeugs dient, und über einen Wechselrichter 16 der elektrischen Anlage 10 an diese angeschlossen ist, im Regeneratorbetrieb betrieben und erzeugt dadurch elektrische Energie, die in die Akkumulatoren 34, 36 eingespeist werden soll, um das Fahrzeug abzubremsen. In diesem Betriebszustand, der den Steuereinheiten 26, 28 bekannt ist, werden sofort die für das Laden zuständigen MOSFETs 38, 42 ein- und die für das Entladen zuständigen MOSFETs 40, 44 ausgeschaltet. Obwohl die MOSFETs 40, 44 ausgeschaltet sind, eröffnet sich ein Strompfad, durch deren Inversdioden, sodass ein Stromfluss in Richtung der Akkumulatoren 34, 36 stattfinden kann. Der zunehmende Strom durch die elektrische Maschine 14, der mittels der Stromsensoren 30, 32 erfasst wird, wird den Steuereinheiten 26, 28 entsprechend mittels einem Signal bereitgestellt. Dabei wird ein ermittelter Ladungszustand und ein Innenwiderstand der Akkumulatoren 34, 36 berücksichtigt.
-
Jede der Steuereinheiten 26, 28 detektiert, ob ein Strom in den jeweiligen Akkumulator 34, 36 strömt. Wenn zum Beispiel der Ladungszustand des Akkumulators 36 sehr viel höher ist als der Ladungszustand des Akkumulators 34, kann vorgesehen sein, dass der Strom ausschließlich zum Akkumulator 34 strömt. Wenn die Ladungszustände ähnlich sind, kann vorgesehen sein, dass der Strom gemäß der Innenwiderstände der Akkumulatoren 34, 36 aufgeteilt wird. In beiden Fällen, in denen die Steuereinheiten 26, 28 detektieren, dass ihre jeweiligen Akkumulatoren 34, 36 geladen werden, kann der entsprechende MOSFET 40, 44 eingeschaltet werden, sodass die Inversdiode vom Stromfluss entlastet wird. Dies erfolgt analog wie zuvor für die Energiebereitstellung beschrieben.
-
Wenn die Energieaufnahme beendet wird, werden die Ströme in die Akkumulatoren 34, 36 abnehmen und in Abhängigkeit der Ladungszustände wird einer der Akkumulatoren 34, 36 beginnen, Strom bereitzustellen. Wenn dies auftritt, wird die Steuereinheit 26 den MOSFET 44 wieder ausschalten, sodass der gesamte Stromfluss nur durch den anderen Akkumulator 34 erfolgt. Wenn der geringere aktive Betrieb aufgrund des Bremsens beendet ist, wird der Stromfluss in beide Akkumulatoren 34, 36 ebenfalls beendet. Zu diesem Zeitpunkt liegt ein stationärer Betriebszustand des Fahrzeugs vor, entweder ein Neutralzustand oder ein Fahrzustand, bei dem keine Energie benötigt beziehungsweise erzeugt wird.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheiten 26, 28 die MOSFETs 38, 42 ausschalten und die MOSFETs 40, 44 einschalten, um zu ermitteln, welcher der Akkumulatoren 34, 36 gewöhnlich Strom bereitstellt. Die Steuereinheit 28 für den Akkumulator 34 mit dem niedrigeren Betriebszustand wird einen Strom in den Akkumulator 34 detektieren und den MOSFET 38 ausschalten.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuerung des Stroms im regenerativen Betrieb anwendungsspezifisch sein kann, zum Beispiel abhängig von Zelltemperaturen oder anderen Kriterien des jeweiligen der Akkumulatoren 34, 36. Dabei wird angenommen, dass die Akkumulatoren 34, 36 jeweils aus einem Stapel von galvanischen Zellen gebildet sind, in denen jeweils elektrochemisch Energie gespeichert wird. So kann zum Beispiel bei einer Anwendung vorgesehen sein, dass der Akkumulator mit dem höheren Ladungszustand zum Bereitstellen von elektrischer Energie genutzt wird, oder der Akkumulator mit dem niedrigeren Ladungszustand zum Bereitstellen von elektrischer Energie genutzt wird oder die elektrische Energie durch beide Akkumulatoren 34, 36 bereitgestellt wird. Übergangszustände können auch anwendungsspezifisch sein, zum Beispiel wie oben in Bezug auf die Änderung vom regenerativen Betriebszustand zum Neutralbetriebszustand ausgeführt. Alle diese Fälle lassen sich mit der Erfindung realisieren.
-
Vergleichbar zum regenerativen Modus kann wieder ein Laden durch die Steuereinheiten 26, 28 ermittelt werden, dass ihre zugeordneten Akkumulatoren 34, 36 nur zum Laden benutzt werden sollten. Wenn deshalb eine der Steuereinheiten 26, 28 detektiert, dass ihr Akkumulator 34, 36 Strom bereitstellt, kann der entsprechende MOSFET 40, 44 ausgeschaltet werden. Eine Reihe von Ladeschemata kann vorgesehen sein, wenn eine Vielzahl von Akkumulatoren in Parallelschaltung gemäß der Erfindung mit der Schalteinrichtung verbunden werden kann. Dies umfasst ebenso ein On-Board-Laden wie auch ein Entfernt-Laden, bei dem eine Anzahl von Akkumulatoren parallel geladen werden können.
-
Zum Beispiel kann gemäß einer Methode vorgesehen sein, dass alle Akkumulatoren 34, 36 ihre Akkumulatorspannung per Rundfunk aussenden. Jeder der Akkumulatoren 34, 36 kann nun auch diese Rundfunkaussendungen überwachen und ermitteln, ob er selbst die niedrigste Akkumulatorspannung hat. Der Akkumulator mit der niedrigsten Spannung kann veranlassen, seinen entsprechenden Lade-MOSFET (beispielsweise der MOSFET 38, 42) zu aktivieren beziehungsweise einzuschalten, sodass ein Ladevorgang beginnt. Alle weiteren Akkumulatoren überwachen die Rundfunkausstrahlungen weiter und wenn nun ein Akkumulator ermittelt wird, ist es nun die gleiche Spannung wie die des Akkumulators, der geladen wird und es wird der entsprechende Lade-MOSFET eingeschaltet. Hierbei handelt es sich um ein Bottom-Up-Verfahren. Das heißt, dass der Akkumulator mit der niedrigsten Spannung zuerst geladen wird und dann die anderen mit zunehmender Spannung hinzukommen. Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass Vergleichswerte genutzt werden können, um akzeptable Pegel zu ermitteln, bei welchem die Akkumulatoren gegenüber einander aktiviert werden. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, einen kleinen Stromfluss von einem Akkumulator zu einem anderen zu erlauben, sodass sie den gleichen Ladungszustand schneller erreichen können. Dieses Verfahren ist jedoch mehr geeignet für eine kleinere Anzahl von Akkumulatoren, wie es beispielsweise bei On-Board-Laden vorkommt.
-
Die Beschreibung dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- elektrische Anlage
- 12
- Fahrzeugsteuerung
- 14
- elektrische Maschine
- 16
- Wechselrichter
- 20
- Schalteinrichtung
- 22
- elektronisches Schaltmittel
- 24
- elektronisches Schaltmittel
- 26
- Steuereinheit
- 28
- Steuereinheit
- 30
- Stromsensor
- 32
- Stromsensor
- 34
- Akkumulator
- 36
- Akkumulator
- 38
- MOSFET
- 40
- MOSFET
- 42
- MOSFET
- 44
- MOSFET
- 46
- Energiespeicheranschluss
- 48
- Energiespeicheranschluss
- 50
- Anlagenanschluss
-
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 Patentliteratur
-
- DE 102009019531 A1 [0002, 0002]
