DE102014208999A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern eines Energiespeichers - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern eines Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Ansteuern eines Energiespeichers, umfassend zumindest einen ersten Energiespeicher (20) und einen zweiten Energiespeicher (28), einen Gleichspannungswandler (16), eine Steuereinheit (14), sowie eine elektrische Maschine (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (30) und/oder des Gleichspannungswandler (16) ausgebildet ist in der Weise, dass während einer Rekuperationsphase der elektrische Maschine (30) ein Ladezustand (SOC) des ersten Energiespeichers beeinflussbar ist in Abhängigkeit von einem Ladezustand des zweiten Energiespeichers (28).

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Ansteuerung eines Energiespeichers nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gattungsgemäße Vorrichtung und Verfahren sind bereits aus der WO 2002/080334 A1 bekannt. So sind in einem Ausführungsbeispiel mit einem integrierten Starter-Generator eine 36 Volt-Batterie, eine 12 Volt-Batterie sowie ein Doppelschichtkondensator vorgesehen. Der integrierte Starter-Generator versorgt über die Verbindung das 42 Volt-Bordnetz und über einen 42/14 Volt-Konverter das 14 Volt-Netz. An den Netzen sind Verbraucher angeschlossen. Der Doppelschichtkondensator kann über Schalter mit dem integrierten Starter-Generator und dem 42 Volt-Bordnetz verbunden werden. Der Doppelschichtkondensator wird lediglich beim Rekuperationsbetrieb genutzt.
  • Stand der Technik
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die ein Speichersystem weiter optimieren. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäße Vorrichtung und erfindungsgemäßes Verfahren haben demgegenüber den Vorteil, dass insbesondere die Vorzüge unterschiedlicher Energiespeicher durch eine entsprechende Ansteuerung miteinander verbunden werden. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zusätzlich zum Energiespeicher der weitere Energiespeicher, nämlich die Batterie, als Rekuperationsspeicher genutzt wird. Somit können die Vorteile beider Energiespeichersysteme gerade in dieser Betriebsweise miteinander verknüpft werden. Hierbei sind ein erstes Teilnetz mit einem zweiten Teilnetz über einen Gleichspannungswandler gekoppelt. Dadurch lässt sich die gewünschte optimale Ansteuerung der Energiespeicher besonders einfach durchführen. Erfindungsgemäß steuert die Steuereinheit während einer Rekuperationsphase der elektrischen Maschine einen Ladezustand des ersten Energiespeichers in Abhängigkeit von einem Ladezustand des zweiten Energiespeichers.
  • Die Vorteile des ersten Energiespeichers, wie beispielsweise ein Doppelschichtkondensator (DLC), nämlich eine hohe Lade- und Entladeakzeptanz auch bei tiefen Temperaturen, werden mit den Vorteilen des weiteren Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers mit großer Energiedichte, wie beispielsweise Bleisäure oder sonstige Batteriesysteme, kombiniert. Eine gezielte Ansteuerung des Energiespeichers bestehend aus Doppelschichtkondensatoren lässt sich bei der Zyklisierung nutzen. Da der DLC eine erheblich höhere Zyklisierungsfähigkeit besitzt, wird die Lebensdauer des gesamten Speichersystems wesentlich erhöht. Weiterer Vorteil besteht darin, dass bei tiefen Temperaturen das DLC-Modul wesentlich besser elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann. Dadurch wird eine Rekuperation von Bremsenergie auch bei tiefen Temperaturen, insbesondere gegenüber elektrischen Speichersystemen, die nur aus Batterien aufgebaut sind, wesentlich verbessert.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit den Gleichspannungswandler und/oder die elektrische Maschine so ansteuert, dass der Ladezustand des zweiten Energiespeichers, insbesondere eine Spannung, die am zweiten Energiespeicher abfällt, zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert bleibt. Dann wird die rekuperierte Energie nur im zweiten Energiespeicher gespeichert, der sich durch eine hohe Zyklisierungsfähigkeit auszeichnen kann.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit die elektrische Maschine und/oder den Gleichspannungswandler so ansteuert, dass bei Erreichen eines Grenzwerts durch den Ladezustand am zweiten Energiespeicher die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers so weit erhöht wird, dass der erste Energiespeicher geladen wird. Gerade bei einer energiereichen Bremsung bzw. Rekuperation kann der erste Energiespeicher, der sich durch hohe Energiedichte auszeichnet, ergänzend zum optimierten Betrieb des Gesamtsystems eingesetzt werden.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei im Wesentlichen vollgeladenem zweiten Energiespeicher die Steuereinheit die elektrische Maschine so ansteuert, dass deren Ausgangsspannung einer Spannung am zweiten Energiespeicher im vollgeladenen Zustand entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass keine weitere Aufladung des zweiten Energiespeichers erfolgt zum Schutz des Gesamtsystems.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der während einer Rekuperation geladene zweite Energiespeicher mit Vorrang weitere elektrische Verbraucher und/oder den ersten Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Dadurch steht anschließend bevorzugt der zweite, zyklenfeste Energiespeicher für die erneute Aufnahme der Rekuperationsenergie zur Verfügung. Besonders bevorzugt wird hierzu der zweite Energiespeicher bis zu einer unteren Grenze entladen.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren kann nicht nur zur Rekuperation, sondern auch immer dann mit Vorteil angewandt werden, wenn die elektrischen Speicher im Bordnetz hoch belastet werden, wie beispielsweise beim sogenannten Start-Stopp-Segeln.
  • Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung ohne einen Verbraucher im zweiten Teilnetz, die
  • 2 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Verbraucher im zweiten Teilnetz, sowie die
  • 3 eine entsprechende Betriebsstrategie, welche durch die Steuereinheit realisiert wird, zur Darstellung der entsprechenden zeitlichen Verläufe von Geschwindigkeit, zweiter Spannung und Ladezustand des ersten Energiespeichers.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein erstes Teilnetz 10 mit einer von einem ersten Energiespeicher 20 und einem hierzu parallel verschalteten ersten Verbraucher 22 gebildet. Das erste Teilnetz 10 ist über einen Gleichspannungswandler 16 mit einem zweiten Teilnetz 12 gekoppelt. Das zweite Teilnetz 12 besteht aus einer elektrischen Maschine 30 und einem zweiten Energiespeicher 28. Das erste Teilnetz 10 weist eine erste Spannung U1 auf, das zweite Teilnetz 12 eine zweite Spannung U2. Erstes Teilnetz 10, zweites Teilnetz 12 und/oder der Gleichspannungswandler 16 können von einer Steuereinheit 14 angesteuert werden.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von demjenigen nach 1 lediglich darin, dass in dem zweiten Teilnetz 12 zusätzlich noch ein zweiter Verbraucher 32 parallel zum zweiten Energiespeicher 28 geschaltet ist.
  • In 3 ist in einem oberen Diagramm der zeitliche Verlauf einer Geschwindigkeit V eines Fahrzeugs dargestellt, das mit der beschriebenen Vorrichtung ausgestattet ist.
  • Das mittlere Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf Spannung U2 am zweiten Energiespeicher. Es gibt eine Obergrenze U2max, die die zweite Spannung U2 nicht überschreiten darf, sowie eine untere Grenze U2min, die nicht unterschritten werden darf.
  • Als drittes Diagramm der 3 ist der zeitliche Verlauf eines Ladezustands SOC des ersten Energiespeichers 20 dargestellt. Der Ladezustand soll sich wiederum zwischen einer Obergrenze SOCmax und einer Untergrenze SOCmin bewegen. Während beispielhaft eingezeichneter Entladephasen 40 nimmt der Ladezustand SOC des ersten Energiespeichers 20 ab. In einer Ladephase 42 hingegen nimmt der Ladezustand SOC wieder zu.
  • Das zweite Teilnetz 12 umfasst die elektrische Maschine 30. Die elektrische Maschine 30 kann sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden. Die elektrische Maschine 30 kann wahlweise mit einem Pulswechselrichter bzw. einer Leistungselektronik zur Regelung der elektrischen Maschine 30 ausgestattet sein. Der zweite Energiespeicher 28 in dem zweiten Teilnetz 12 ist beispielhaft mit Hilfe sogenannter Doppelschichtkondensatoren (DLC) realisiert. Wie dargestellt erfolgt die Kopplung zwischen dem ersten Teilnetz 10 und dem zweiten Teilnetz 12 durch den Gleichspannungswandler 16.
  • Nach einer alternativen Ausführungsform kann die elektrische Maschine 30 als konventioneller Generator, beispielsweise als Klauenpolgenerator ausgeführt sein. Wahlweise kann der Generator mit einer passiven Dioden-Gleichrichtung ausgestattet sein. Wahlweise ist eine Regelung des Generators mit Hilfe einer Leistungselektronik möglich. Hinsichtlich des verwendeten Maschinenprinzips bestehen keine Einschränkungen. Als elektrische Maschine können sowohl Klauenpolmaschinen, Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen oder beliebige andere Maschinentypen verwendet werden.
  • Der erste Energiespeicher 20 im ersten Teilnetz 10 kann als Batterie ausgeführt sein. Hierbei kommen beispielsweise eine Bleibatterie oder aber auch eine andere Batterietechnologie, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie zum Einsatz.
  • Das Betriebsmanagement von elektrischer Maschine 30, zweitem Energiespeicher 28, Gleichspannungswandler 16 und erstem Energiespeicher 20 übernimmt der Steuereinheit 14. Diese Steuereinheit 14 beeinflusst die Ausgangsleistung der elektrischen Maschine 30, erfasst den Ladezustand des zweiten Energiespeichers 28, beispielsweise anhand der zweiten Spannung U2, regelt die Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers 16 und erfasst und beeinflusst den Ladezustand SOC des ersten Energiespeichers 20 im ersten Teilnetz 10. Prinzipiell könnten die in der Steuereinheit 14 implementierten Steuerfunktionen auch in mehreren Steuergeräten verteilt implementiert werden.
  • Nachfolgend wird eine erste Betriebsstrategie, insbesondere zur Rekuperation von Bremsenergie mit Hilfe der Vorrichtung des zugehörigen Verfahrens dargestellt. Nun wird während der Rekuperation, also der Umwandlung der Bremsenergie in elektrische Energie über die elektrische Maschine 30, zusätzlich der Ladezustand SOC des ersten Energiespeichers 20 im ersten Teilnetz 10 durch die Steuereinheit 14 beeinflusst. Die Steuereinheit 14 stellt sicher, dass während der Rekuperation sowohl der zweite Energiespeicher 28 wie auch der erste Energiespeicher 20 als Rekuperationsspeicher verwendet werden. Die entsprechende Betriebsstrategie lässt sich der 3 entnehmen. Findet sich die Spannung U2 des zweiten Energiespeichers 28 am Beginn der Bremsung (abnehmende Geschwindigkeit v) innerhalb des zulässigen Bereichs (U2min < U2 < U2max), wird die elektrische Bremsenergie nur im zweiten Energiespeicher 28 gespeichert. Die Steuereinheit 14 steuert hierzu die elektrische Maschine 30 in diesem Fall so an, dass die rekuperierte elektrische Energie im zweiten Energiespeicher 28 gespeichert wird. Die Ausgangsleistung ist daher höher als zur Versorgung der Verbraucher 22, 32 notwendig wäre. Somit erhöht sich während der Rekuperation die Spannung U2 am zweiten Energiespeicher 28. Die Steuereinheit 14 steuert den Gleichspannungswandler 16 so an, dass er in dieser Betriebsphase lediglich die Verbraucher 22 im ersten Teilnetz 10 versorgt. Der Ladezustand SOC des ersten Energiespeichers 20 im ersten Teilnetz 10 bleibt somit konstant. Dieser entsprechende Zustand ist am zeitlichen Beginn der Diagramme dargestellt. Die Geschwindigkeit V des Fahrzeugs nimmt ab, die elektrische Maschine 30 speist elektrische Energie zurück in den zweiten Energiespeicher 28, weshalb sich die zweite Spannung U2 erhöht, während der Ladezustand SOC des ersten Energiespeichers 20 konstant bleibt.
  • Handelt es sich um eine energiereiche Bremsung, nähert sich die Spannung U2 im zweiten Teilnetz 12 immer mehr der oberen Grenze U2max, da der zweite Energiespeicher 28 immer weiter aufgeladen wird. Ist diese obere Spannungsgrenze U2max erreicht, so wird die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers 16 soweit erhöht, dass der erste Energiespeicher 20 im ersten Teilnetz 10 geladen wird. Die Rekuperationsleistung wird, im Rahmen der Ladeakzeptanz des ersten Energiespeichers 20 und der Leistungsfähigkeit des Gleichspannungswandlers 16, bei vollgeladenem zweiten Energiespeicher 28 (also bei U2 = U2max) in dem ersten Energiespeicher 20 gespeichert. Die generatorische Ausgangsleistung der elektrischen Maschine 30 wird entsprechend angepasst. Hierzu wird die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 30 auf U2 = U2max geregelt, so dass keine weitere Aufladung des zweiten Energiespeichers 28 (über die obere Spannungsgrenze U2max hinaus) erfolgt.
  • Ist die Spannung U2 am zweiten Energiespeicher 28 bei Beginn einer Bremsung noch nahe an der oberen Grenze (U2 = U2max), so kann wahlweise der erste Energiespeicher 20 als alleiniger Rekuperationsspeicher genutzt werden. Dazu wird die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 16 so weit erhöht, dass der erste Energiespeicher 20 während der Rekuperation geladen wird. Die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 30 wird dabei auf U2 = U2max geregelt, so dass keine weitere Aufladung des zweiten Energiespeichers 28 über die obere Spannungsgrenze U2max hinaus erfolgt.
  • Nach einer Rekuperation wird mit Priorität der zweite Energiespeicher 28 zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 22, 32 genutzt. Die elektrische Maschine 30 speist dann keine elektrische Energie ins zweite Teilnetz 12 ein, es erfolgt kein generatorischer Betrieb. Bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit V ohne Rekuperation wird daher zunächst der zweite Energiespeicher 28 bis zur Spannung U2 = U2min entladen. Dadurch kann bei einer folgenden Bremsung bzw. Rekuperation der zweite Energiespeicher 28 als Rekuperationsspeicher wieder benutzt werden.
  • Die im zweiten Energiespeicher 28 gespeicherte Energie kann wahlweise auch zur Versorgung der elektrischen Maschine 30 benutzt werden, die in diesem Fall motorisch betrieben wird. Das Antriebsmoment der elektrischen Maschine 30 unterstützt dann den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs beim Vortrieb.
  • Wird die minimale Spannung U2min durch Entladung erreicht, wird abhängig vom Ladezustand SOC des ersten Energiespeichers 20 die darin gespeicherte Rekuperationsenergie zur Versorgung des ersten Teilnetzes 10 benutzt. Mit Hilfe der Steuereinheit 14 wird ein nutzbarer Bereich für den Ladezustand SOCmin und SOCmax des ersten Energiespeichers 20 im ersten Teilnetz 10 vorgegeben. Ist der erste Energiespeicher 20 bis auf die untere Grenze SOCmin entladen, versorgt die elektrische Maschine 30 generatorisch die elektrischen Verbraucher 22, 32.
  • Eine zweite alternative Betriebsstrategie besteht darin, dass unmittelbar nach der Rekuperation mittels des Gleichspannungswandlers 16 der erste Energiespeicher 20 aufgeladen wird. Der Energietransport erfolgt dann nur vom ersten Energiespeicher 28 zum ersten Energiespeicher 20. Die elektrische Maschine 30 liefert in dieser Betriebsphase keine elektrische Energie. Dies führt zu einer Entladung des zweiten Energiespeichers 28 bis zu einer unteren Spannungsgrenze U2 = U2min. Diese Betriebsstrategie hat den Vorteil, dass bei einer kurz darauffolgenden Rekuperation der zweite Energiespeicher 28 die Rekuperationsleistung wieder aufnehmen kann.
  • Eine dritte mögliche Betriebsstrategie besteht darin, dass während einer Rekuperation der zweite Energiespeicher 28 und der erste Energiespeicher 20 gleichzeitig aufgeladen werden. Dies hat den Vorteil, dass durch gleichzeitige Nutzung der beiden Energiespeicher 20, 28, die maximal mögliche Rekuperationsleistung erhöht wird.
  • 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
    • WO 2002/080334 A1 [0001]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Ansteuern eines Energiespeichers, umfassend zumindest einen ersten Energiespeicher (20) und einen zweiten Energiespeicher (28), insbesondere ein Doppelschichtkondensator, einen Gleichspannungswandler (16), eine Steuereinheit (14), sowie eine elektrische Maschine (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (30) und/oder des Gleichspannungswandlers (16) ausgebildet ist in der Weise, dass die Steuereinheit (14) während einer Rekuperationsphase der elektrische Maschine (30) einen Ladezustand (SOC) des ersten Energiespeichers (28) in Abhängigkeit von einem Ladezustand (U2) des zweiten Energiespeichers (28) beeinflusst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) den Gleichspannungswandler (16) und/oder die elektrische Maschine (30) so ansteuert, dass der Ladezustand des zweiten Energiespeichers, insbesondere eine Spannung (U2), die am zweiten Energiespeicher (28) abfällt, zwischen einem oberen Grenzwert (U2max) und einem unteren Grenzwert (U2min) bleibt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) die elektrische Maschine (30) und/oder den Gleichspannungswandler (16) so ansteuert, dass bei Erreichen eines Grenzwerts (U2max) durch den Ladezustand (U2) am zweiten Energiespeicher (28) die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers (16) so weit erhöht wird, dass der erste Energiespeicher (20) geladen wird.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei im Wesentlichen vollgeladenem zweiten Energiespeicher (28), insbesondere wenn der Ladezustand (U2) des zweiten Energiespeichers (28) einen Grenzwert (U2max) erreicht, die Steuereinheit (14) die elektrische Maschine (30) so ansteuert, dass deren Ausgangsspannung einer Spannung (U2) am zweiten Energiespeicher (28) im vollgeladenen Zustand entspricht.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der während einer Rekuperation geladene zweite Energiespeicher (28) mit Vorrang weitere elektrische Verbraucher (22, 32) und/oder den ersten Energiespeicher (20) mit elektrischer Energie versorgt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (28) bis zu einer unteren Grenze (U2min) entladen wird, insbesondere wenn keine Rekuperation erfolgt.
  7. Verfahren zur Ansteuerung eines Energiespeichers, wobei eine Steuereinheit (14) eine elektrische Maschine (30) und/oder einen Gleichspannungswandler (16) ansteuert, wobei der Gleichspannungswandler (16) zumindest ein erstes Teilnetz (10) und ein zweites Teilnetz (12) verbindet, wobei in dem ersten Teilnetz (10) zumindest ein erster Energiespeicher (20) angeordnet ist, und in dem zweiten Teilnetz (12) zumindest ein zweiter Energiespeicher (28) und die elektrische Maschine (30) angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – während eines Rekuperationsbetriebs der elektrischen Maschine (30) werden die elektrische Maschine (30) und/oder der Gleichspannungswandler (16) so angesteuert, dass eine von der elektrischen Maschine (30) gelieferte elektrische Energie in den ersten Energiespeicher (20) in Abhängigkeit von einem Ladezustand (U2) des zweiten Energiespeichers (28) gespeichert wird.
  8. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Ladezustand (U2) des zweiten Energiespeichers (28), insbesondere eine Spannung (U2), die am zweiten Energiespeicher (28) abfällt, einen Grenzwert (U2max) erreicht, die elektrische Maschine (30) und/oder der Gleichspannungswandler (16) sicherstellen, dass der zweite Energiespeicher (28) nicht weiter geladen wird und/oder der erste Energiespeicher (20) geladen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Ladung des zweiten Energiespeichers (28) dieser erstes und/oder zweites Teilnetz mit Energie versorgt, insbesondere bis der Ladezustand (U2) des zweiten Energiespeichers (28) einen Grenzwert (U2min) erreicht.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geladenem zweiten Energiespeicher (28) der Gleichspannungswandler (16) die Ausgangsspannung für das erste Teilnetz (10) erhöht zur Aufladung des ersten Energiespeichers (20).
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