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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für eine elektrische Anlage eines, insbesondere elektrisch antreibbaren, Kraftfahrzeugs mit einem Gehäuse und mehreren galvanischen Zellen, die in dem Gehäuse angeordnet und in einer vorgegebenen Weise elektrisch miteinander gekoppelt sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, die eine elektrische Antriebseinrichtung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs sowie einen elektrischen Energiespeicher umfasst. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers für eine elektrische Anlage eines, insbesondere elektrisch antreibbaren, Kraftfahrzeugs, bei dem mehrere galvanische Zellen in einem Gehäuse angeordnet und in einer vorgegebenen Weise elektrisch miteinander gekoppelt sind.
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Elektrische Energiespeicher, Kraftfahrzeuge mit elektrischen Anlagen sowie Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge nutzen zum Zwecke des Antriebs zumindest teilweise eine elektrische Antriebseinrichtung. Die elektrische Antriebseinrichtung umfasst beispielsweise einen getakteten Energiewandler, an den eine rotierende elektrische Maschine angeschlossen ist. Ist die rotierende elektrische Maschine eine dreiphasige elektrische Maschine, ist der getaktete Umrichter durch einen entsprechend dreiphasigen Wechselrichter gebildet. Der Wechselrichter selbst ist mit seinem Zwischenkreis an die elektrische Anlage angeschlossen, und zwar in der Regel an einen elektrischen Energiespeicher, der in Form eines Akkumulators elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung bereitzustellen vermag. Darüber hinaus kann der elektrische Energiespeicher auch elektrische Energie aufnehmen, wenn beispielsweise das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Antriebseinheit abgebremst wird oder dergleichen.
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Die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs kann auch elektrische Energiequellen aufweisen, beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Solarzelle und/oder dergleichen, mittels denen ergänzend elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus umfasst die elektrische Anlage eine Reihe weiterer elektrischer Einheiten wie eine elektrische Klimaanlage, eine elektrisch betreibbare Wankstabilisierung, aber auch ein Navigationsgerät, eine Fahrzeuginnenbeleuchtung, Fahrzeugscheinwerfer und/oder dergleichen.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug, bei dem das Kraftfahrzeug ausschließlich mittels der elektrischen Antriebseinrichtung angetrieben wird, oder auch ein Hybridfahrzeug, bei dem ergänzend zur elektrischen Antriebseinrichtung auch eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, die alternativ oder gemeinsam mit der elektrischen Antriebseinrichtung zum Zwecke des Antriebs des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann.
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Die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs weist häufig zwei Bordnetze auf, die für unterschiedliche Bemessungsspannungen ausgelegt sind, beispielsweise ein erstes Bordnetz, welches für eine Bemessungsspannung von 48 V ausgelegt ist und an dem elektrische Einheiten angeschlossen sind, die einen hohen Leistungsbedarf haben, wohingegen ein zweites Bordnetz vorhanden ist, welches für elektrische Einheiten vorgesehen ist, die einen geringen Leistungsverbrauch erfordern, beispielsweise die Fahrzeuginnenbeleuchtung, das Navigationsgerät und/oder dergleichen. Die Bemessungsspannung des zweiten Bordnetzes beträgt häufig 12 V. Die beiden Bordnetze umfassen in der Regel an die jeweiligen Bemessungsspannungen angepasste Akkumulatoren, die der Bereitstellung und/oder der Aufnahme von elektrischer Energie in dem jeweiligen der Bordnetze dienen.
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In der Regel sind die beiden Bordnetze elektrisch mittels eines Gleichspannungswandlers gekoppelt, der es erlaubt, vorzugsweise bidirektional elektrische Energie zwischen den beiden Bordnetzen auszutauschen. Am ersten Bordnetz sind neben der elektrischen Antriebseinrichtung üblicherweise auch die Wankstabilisierung oder vergleichbare elektrische Einheiten angeschlossen.
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Der einen elektrischen Energiespeicher bildende Akkumulator ist ausgebildet, elektrische Energie elektrochemisch zu speichern. Zu diesem Zweck umfasst der elektrische Energiespeicher mehrere galvanische Zellen, in denen aufgrund der elektrochemischen Prozesse zugeführte elektrische Energie gespeichert und auch elektrochemisch gespeicherte Energie wieder als elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden kann. Elektrische Energiespeicher der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Lithium-Ion-Akkumulatoren, Blei-Säure-Akkumulatoren, Nickel-Kadmium-Akkumulatoren oder dergleichen sowie auch Elektrolytkondensatoren, Supercaps und/oder dergleichen.
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Die galvanische Zelle weist in der Regel zwei Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode, die in der Regel über einen Elektrolyten miteinander chemisch wechselwirken, wobei an den beiden Elektroden eine durch elektrochemische Prozesse bestimmte Spannung bereitgestellt ist. Bei Akkumulatoren kann deren Bemessungsspannung durch die Anzahl von in Reihe geschalteten einzelnen galvanischen Zellen bestimmt sein.
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Bei Kondensatoren kann dies darüber hinaus auch durch den Aufbau des Kondensators und die Verwendung von chemischen Stoffen eingestellt werden.
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Üblicherweise ist die von einem Akkumulator bereitzustellende Spannung deutlich größer, als sie von einer einzelnen galvanischen Zelle für einen Akkumulator bereitgestellt werden kann, insbesondere wenn sie nicht durch einen Elektrolytkondensator oder einen Supercap gebildet ist. Infolgedessen umfasst ein Akkumulator, wie er in einer elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, üblicherweise eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter galvanischer Zellen. Bei Kondensatoren als elektrischen Energiespeichern kann dagegen vorgesehen sein, dass der Kondensator bereits für die Bemessungsspannung geeignet ausgelegt ist, sodass lediglich eine einzige galvanische Zelle erforderlich sein kann. Aber auch Reihenschaltungen von Kondensatoren können je nach Bedarf realisiert sein.
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Bei einem Betrieb des ersten Bordnetzes, an dem die elektrischen Einheiten mit großem Leistungsbedarf angeschlossen sind, hat es sich gezeigt, dass diese teilweise ungünstig in Bezug auf den elektrischen Energiespeicher zusammenwirken können. Besonders nachteilig erweist es sich, dass der Energiespeicher für den Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung einen möglichst hohen Ladezustand zum Zwecke des Antriebs oder einen möglichst geringen Ladezustand zum Zwecke der Rekuperation aufweisen soll.
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Dagegen erweisen sich gerade diese Ladezustände als ungünstig zum Betrieb der elektrischen Wankstabilisierung. Bei der Wankstabilisierung werden nämlich kurzzeitig hohe Leistungsanforderungen an den elektrischen Energiespeicher gestellt, der einerseits kurzzeitig eine große Energiemenge aufnehmen und/oder abgeben können muss, andererseits aber auch entsprechend große Leistungsspitzen zur Verfügung stellen können muss. Diese Anforderung steht zum Beispiel dem optimalen Betrieb der Antriebseinrichtung entgegen.
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So ist es aus der
DE 10 2005 051 003 A1 bekannt, eine Speichervorrichtung als Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug auszubilden, indem die Speichervorrichtung einen Speicher einer ersten Art und einen Speicher einer zweiten Art aufweist, die elektrisch mittels eines DC/DC-Wandlers gekoppelt sind. Der Speicher der ersten Art ist ein Akkumulator, wohingegen der Speicher zweiter Art ein Kondensator ist. Über Schaltelemente können die Speicher der ersten und der zweiten Art in unterschiedlichster Weise miteinander elektrisch gekoppelt werden. So können die Speicher beispielsweise parallel oder auch in Reihe geschaltet werden.
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Eine Weiterbildung hierzu offenbart die
EP 2 705 990 A1 , die ein Kraftfahrzeug mit einem Mehrspannungs-Bordnetz offenbart. Das Bordnetz umfasst mehrere Energiespeicher, von denen wenigstens einer der Energiespeicher ein Akkumulator und ein weiterer Energiespeicher ein Kondensator ist. Der Kondensator ist zum Akkumulator in Reihe geschaltet und zugleich über einen DC/DC-Wandler elektrisch mit dem Akkumulator gekoppelt.
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Darüber hinaus offenbart die
IN 01381 MU 2013 A eine Kombination eines Akkumulators mit einem Supercap, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, um eine elektrische Antriebseinheit für ein Fahrrad betreiben zu können.
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Auch wenn sich dieser Stand der Technik bewährt hat, so zeigen sich dennoch neben den bereits zuvor genannten Nachteilen als weitere Nachteile, dass die elektrische Anlage aufwendig hinsichtlich der Montage ist und die Mehrzahl von handzuhabenden Akkumulatoren beziehungsweise Kondensatoren auch aus konstruktiver Sicht aufwendig ist.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Energiespeicher bereitzustellen, mit dem eine vereinfachte Konstruktion und ein verbesserter Betrieb einer elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeugs erreicht werden kann.
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Als Lösung werden mit der Erfindung ein elektrischer Energiespeicher, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Energiespeicherseitig wird mit der Erfindung für einen gattungsgemäßen Energiespeicher insbesondere vorgeschlagen, dass das Gehäuse einen Bezugspotentialanschluss zum Anschließen an die elektrische Anlage, zwei Betriebspotentialanschlüsse zum Anschließen an die elektrische Anlage, einen im Gehäuse angeordneten Gleichspannungskoppler, der zum bidirektionalen elektrischen Koppeln der Betriebspotentialanschlüsse an die Betriebspotentialanschlüsse angeschlossen ist, sowie eine im Gehäuse angeordnete Steuereinheit zum Steuern des Gleichspannungskopplers aufweist, wobei die galvanischen Zellen elektrisch jeweils einem ersten oder einem zweiten von zwei Zellenblöcken zugeordnet sind, wobei jeder Zellenblock jeweils zwei Zellenblockanschlüsse aufweist, von denen einer am Bezugspotentialanschluss und der jeweils andere an einem der jeweiligen der beiden Betriebspotentialanschlüsse angeschlossen ist, damit zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem jeweiligen der Betriebspotentialanschlüsse eine elektrische Gleichspannung bereitsteht.
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Kraftfahrzeugseitig wird mit der Erfindung für ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug insbesondere vorgeschlagen, dass der elektrische Energiespeicher durch einen elektrischen Energiespeicher der Erfindung gebildet ist.
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Verfahrensseitig wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass die galvanischen Zellen elektrisch jeweils einem ersten oder einem zweiten von zwei Zellenblöcken zugeordnet sind, wobei jeder Zellenblock jeweils zwei Zellenblockanschlüsse aufweist, von denen einer an einem Bezugspotentialanschluss des elektrischen Energiespeichers und der jeweils andere an einem jeweiligen von zwei Betriebspotentialanschlüssen des elektrischen Energiespeichers angeschlossen ist, damit zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem jeweiligen der Betriebspotentialanschlüsse eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt wird, wobei ein an die Betriebspotentialanschlüsse angeschlossener Gleichspannungskoppler zum bidirektionalen elektrischen Koppeln der beiden Betriebspotentialanschlüsse mittels einer Steuereinheit derart gesteuert wird, dass bei einem ersten der Zellenblöcke ein Ladungszustand größer als 80 Prozent, vorzugsweise größer als 90 Prozent, und/oder bei einem zweiten der Zellenblöcke ein Ladungszustand in einem Bereich von 40 Prozent bis 60 Prozent, vorzugsweise 50 Prozent, eingestellt wird.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, den elektrischen Energiespeicher in zwei Zellenblöcke aufzuteilen, die hinsichtlich der jeweiligen Anforderungen an die an ihnen angeschlossenen elektrischen Einheiten optimiert ausgebildet sind, wobei die Zellenblöcke in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Durch den ebenfalls im Gehäuse angeordneten Gleichspannungskoppler kann eine elektrische Kopplung zwischen den beiden Zellenblöcken hergestellt werden, sodass ein Energieaustausch vom ersten zum zweiten Block oder auch umgekehrt ermöglicht werden kann. Es wird somit eine kompakte, einfach handhabbare Baueinheit geschaffen, die es erlaubt, durch die Aufteilung in die beiden Zellenblöcke eine verbesserte Funktion der elektrischen Anlage, insbesondere bei Einsatz im ersten Bordnetz, an dem auch die Antriebseinheit angeschlossen ist, zu erreichen.
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Der Gleichspannungskoppler kann durch ein elektronisches Schaltelement wie einem Halbleiterschalter oder dergleichen gebildet sein. Darüber hinaus kann der Gleichspannungskoppler natürlich auch durch einen getakteten Energiewandler, insbesondere einen DC/DC-Wandler oder dergleichen, gebildet sein. Vorzugsweise ermöglicht der Gleichspannungskoppler sowohl einen Energieaustausch vom ersten Zellenblock zum zweiten Zellenblock als auch in umgekehrter Richtung vom zweiten Zellenblock zum ersten Zellenblock. Zu diesem Zweck kann der Gleichspannungskoppler von der Steuereinheit mit einem geeigneten Steuersignal angesteuert sein, sodass in vorgebbarer Weise ein Energiefluss durch den Gleichspannungskoppler bewirkt wird. Dadurch ist es möglich, dass der erste und der zweite Zellenblock unterschiedliche Ladungszustände aufweisen können, die an die jeweils angeschlossenen elektrischen Einheiten angepasst eingestellt sein können, sodass ein möglichst optimaler Betrieb der elektrischen Einheiten erreicht werden kann.
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Zugleich kann durch den Gleichspannungskoppler erreicht werden, dass während des bestimmungsgemäßen Betriebs der elektrischen Anlage auftretende Ladungsschwankungen am ersten und/oder am zweiten Zellenblock zumindest teilweise in gewünschter Weise ausgeglichen werden können, um einen weitgehend optimalen Betriebszustand für die angeschlossenen Einheiten aufrechterhalten zu können. So ist es beispielsweise vorteilhaft, dass der erste Zellenblock einen möglichst hohen oder auch einen möglichst niedrigen Ladungszustand aufweist, wenn er an die elektrische Antriebseinrichtung angeschlossen ist, wohingegen der zweite Zellenblock einen möglichst mittleren Ladungszustand aufweist, wenn er beispielsweise an die elektrische Wankstabilisierung angeschlossen ist. Wird zum Beispiel dem zweiten Zellenblock von einer weiteren elektrischen Einheit Energie zugeführt, sodass möglicherweise der Betrieb der Wankstabilisierung beeinträchtigt sein könnte, kann von dem zweiten Zellenblock mittels des Gleichspannungskopplers elektrische Energie in den ersten Zellenblock überführt werden. Diese Energie steht dann für die elektrische Antriebseinrichtung zur Verfügung.
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Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass, wenn der Ladungszustand des zweiten Zellenblocks für den zuverlässigen Betrieb der Wankstabilisierung zu gering ist, elektrische Energie von dem ersten Zellenblock in den zweiten Zellenblock mittels des Gleichspannungskopplers überführt wird. Entsprechende Überlegungen können natürlich auch für den Betrieb der elektrischen Antriebseinheit angestellt werden.
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Die Zellenblockanschlüsse können als separate Anschlusselemente an den jeweiligen Zellenblöcken ausgebildet sein. Sie können darüber hinaus aber auch durch Anschlussbereiche beziehungsweise Anschlusselemente der galvanischen Zellen gebildet sein. Insofern können die Zellenblockanschlüsse auch durch die galvanischen Zellen selbst bereitgestellt sein, indem sie beispielsweise einstückig mit diesen ausgebildet sind, sodass es separater Zellenblockanschlüsse dann nicht bedarf.
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Insgesamt erreicht die Erfindung dadurch einen zuverlässigeren Betrieb der elektrischen Anlage. Zugleich ermöglicht es die Erfindung dadurch, dass die beiden Zellenblöcke in einem gemeinsamen Gehäuse mit einem gemeinsamen Bezugspotential angeordnet sind, dass lediglich eine einzige Baueinheit konstruktiv in der elektrischen Anlage vorzusehen ist, die zugleich auch lediglich drei Energiespeicheranschlüsse erfordert, nämlich den Bezugspotentialanschluss sowie die beiden Betriebspotentialanschlüsse. Dadurch kann der Aufwand für den Energiespeicher bei verbessertem Betrieb und erhöhter Zuverlässigkeit insgesamt reduziert werden.
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Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, den elektrischen Energiespeicher als handhabbare Baueinheit bereitzustellen, die zugleich auch hinsichtlich ihrer Funktion vor der weiteren Verarbeitung geprüft sein kann. Es ist also gegenüber dem Stand der Technik nicht mehr erforderlich, eine Mehrzahl von einzelnen Akkumulatoren und Kondensatoren zu handhaben und dann auch noch die Vielzahl der elektrischen Verbindungen vorzusehen und zu prüfen. Dies kann durch die Erfindung und den Aufbau des elektrischen Energiespeichers gemäß der Erfindung reduziert werden. Die Erfindung ermöglicht es also, lediglich einen einzigen Energiespeicher bereitzustellen, der zugleich auch als geprüfte Baugruppe bereitgestellt werden kann. Dadurch ergeben sich vielfältige fertigungstechnische Vorteile.
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Mit dem elektrischen Energiespeicher der Erfindung ist es also möglich, zwei voneinander, vorzugsweise unabhängige, Bordnetze bei einer elektrischen Anlage für ein elektrisches Kraftfahrzeug bereitzustellen. Eine Kopplung der beiden Bordnetze kann bedarfsgerecht mittels des Gleichspannungskopplers erreicht werden, der zu diesem Zweck entsprechend durch die Steuereinheit angesteuert werden kann. Obwohl mit dem elektrischen Energiespeicher der Erfindung zwei Bordnetze realisierbar sind, ist lediglich ein einziges Bauteil, nämlich der elektrische Energiespeicher der Erfindung, erforderlich. Hierdurch können bezüglich der Herstellung und der Wartung deutliche Vorteile erreicht werden.
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Die Zellenblöcke können durch separate Gehäusebereiche bereitgestellt sein, in denen die jeweiligen galvanischen Zellen angeordnet sind. Darüber hinaus können die Zellen natürlich auch in einem gemeinsamen Aufnahmeraum des Gehäuses angeordnet sein, wobei die Zuordnung zu den jeweiligen Zellenblöcken allein durch die elektrische Verschaltung innerhalb des Zellenblocks beziehungsweise des Gehäuses erreicht wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse für jeden der Zellenblöcke einen eigenen, räumlich getrennten Aufnahmebereich aufweist. Die Aufnahmebereiche für die Zellenblöcke können gegenüber einander ergänzend auch thermisch und/oder atmosphärisch voneinander getrennt sein. Dadurch können etwaige Wechselwirkungen aufgrund von Temperatur oder auch austretenden Dämpfen weitgehend vermieden werden. Die Trennung ist vorzugsweise hermetisch ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der elektrische Energiespeicher dafür ausgebildet, an den beiden Betriebspotentialanschlüssen in Bezug auf den Bezugspotentialanschluss jeweils eine elektrische Gleichspannung von 48 V bereitzustellen. Dadurch ist es möglich, dass innerhalb der elektrischen Anlage, in der der elektrische Energiespeicher der Erfindung angeschlossen ist, zwei voneinander trennbare elektrische Bordnetze realisiert werden können. Die durch die Zellenblöcke gebildeten elektrischen Einzelspeicher sind dabei in ein Gehäuse integriert angeordnet. Dadurch kann ein erstes Bordnetz des Kraftfahrzeugs in zwei Teilbordnetze unterteilt werden. Der Betrieb der Teilbordnetze kann dadurch an die jeweils angeschlossenen elektrischen Einheiten angepasst sein. Besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz bei Elektrofahrzeugen und bei Hybridfahrzeugen, bei denen das erste Bordnetz, an dem auch die Antriebseinrichtung angeschlossen ist, in die Teilbordnetze unterteilt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die galvanischen Zellen der Zellenblöcke unterschiedliche elektrochemische Eigenschaften aufweisen. Dadurch ist es möglich, die Zellenblöcke für spezielle Anforderungen an die jeweils an ihnen angeschlossenen oder durch sie bereitgestellten Bordnetze optimal anpassen zu können. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher einen durch einen der beiden Zellenblöcke gebildeten Teilenergiespeicher bereitstellt, der für hochdynamische Anwendungen optimiert gestaltet ist. Dagegen kann zum Beispiel der andere Zellenblock einen Teilenergiespeicher bereitstellen, der für Energieanwendungen optimiert ist. Dabei kann durch einen Ladungsausgleich zwischen den beiden Zellenblöcken eine Anpassung des jeweiligen Ladungszustands gewährleistet werden, sodass der jeweilige vorgesehene Betrieb möglichst optimal realisiert werden kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der eine Zellenblock eine größere Speicherkapazität für elektrische Energie als der andere Zellenblock bereitstellt. Vorteilhaft ist dies beispielsweise, wenn der elektrische Energiespeicher dafür ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Antriebseinrichtung möglichst lange antreiben zu können und zugleich für eine Wankstabilisierung während des bestimmungsgemäßen Betriebs nur ein geringer Energieverbrauch erforderlich ist. Die Ladungsspeicherkapazität der Zellenblöcke kann hier vorzugsweise unabhängig voneinander entsprechend gewählt werden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die eine Zellenblock einen kleineren elektrischen Innenwiderstand als der andere Zellenblock bereitstellt. Hierdurch kann eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Anpassung der Zellenblöcke an die an sie angeschlossenen elektrischen Einheiten erreicht werden. So kann vorgesehen sein, dass bei hochdynamischen Anforderungen der entsprechende Zellenblock insbesondere für einen möglichst kleinen Innenwiderstand ausgelegt ist. Steht hingegen die Energieversorgung für zum Beispiel die Antriebseinrichtung im Vordergrund, kommt es mehr auf eine große Energiedichte an als auf einen sehr kleinen Innenwiderstand.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die wenigstens eine galvanische Zelle des ersten Zellenblocks eine Lithium-Ion-Zelle ist. Vorzugsweise umfasst der Zellenblock jedoch eine Mehrzahl von Lithium-Ion-Zellen, von denen zumindest einige in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus können die Lithium-Ion-Zellen natürlich auch parallelgeschaltet im Zellenblock angeschlossen sein. Die Lithium-Ion-Zelle eignet sich insbesondere dazu, die Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie für den bestimmungsgemäßen Fahrtbetrieb des Kraftfahrzeugs zu versorgen, denn die Lithium-Ion-Zelle weist in der Regel eine große Energiespeicherdichte auf. Daneben kann als galvanische Zelle natürlich auch eine Blei-Säure-Zelle, eine Nickel-Kadmium-Zelle und/oder dergleichen vorgesehen sein.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine galvanische Zelle eines zweiten Zellenblocks ein Elektrolyt-Kondensator oder ein Supercap ist. Diese galvanische Zelle zeichnet sich dadurch aus, dass sie zwar gegenüber der Speicherzelle des ersten Zellenblocks eine geringere Energiespeicherdichte bereitzustellen vermag, jedoch ist sie aufgrund ihrer elektrochemischen Eigenschaften besonders geeignet, mit großen elektrischen Strömen beaufschlagt zu werden. Dadurch kann mit dem zweiten Zellenblock ein Teilbordnetz bereitgestellt werden, welches sich für hochdynamische Anwendungen eignet, beispielsweise für die elektrische Wankstabilisierung oder dergleichen.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse eine an ihm angeordnete Kommunikationsschnittstelle zum kommunikationstechnischen Koppeln mit einer Kraftfahrzeugsteuerung aufweist. Die Kommunikationsschnittstelle kann beispielsweise als Steckverbindung ausgebildet sein, an die eine Kommunikationsleitung mit einem entsprechenden Steckverbinder angeschlossen werden kann. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, die Kommunikationsschnittstelle auch drahtlos auszubilden, beispielsweise unter Nutzung eines Kommunikationsprotokolls für Nahfunk wie WLAN, Bluetooth, ZigBee oder dergleichen. Natürlich kann die Kommunikationsschnittstelle, insbesondere wenn sie leitungsgebunden ausgebildet ist, auch nach Art eines CAN-Busses oder dergleichen ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, Zustandsdaten des elektrischen Energiespeichers an die übergeordnete Kraftfahrzeugsteuerung zu übermitteln, sodass diese für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden können. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, auch Steuerbefehle oder Parameter, beispielsweise an die Steuereinheit, zu übermitteln, damit die Funktionalität der Steuereinheit bedarfsgerecht angepasst werden kann. Darüber hinaus können natürlich auch Steuerbefehle an die Steuereinheit übermittelt werden, die beispielsweise das Einstellen von Ladungszuständen der Zellenblöcke und/oder dergleichen betreffen.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Ladungszustand der Zellenblöcke zu erfassen. Die Steuereinheit kann diesbezüglich entsprechende Sensorik umfassen, mittels denen der Ladungszustand der beiden Zellenblöcke erfasst werden kann. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit aus Betriebswerten der jeweiligen Zellenblöcke und/oder des Gleichspannungskopplers den jeweiligen Ladungszustand des jeweiligen Zellenblocks ermittelt, beispielsweise indem er hieraus berechnet wird.
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Die für den elektrischen Energiespeicher angegebenen Vorteile und Ausgestaltungen sind gleichermaßen anwendbar auf eine elektrische Anlage mit einem solchen elektrischen Energiespeicher sowie das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug, dessen elektrische Anlage einen solchen elektrischen Energiespeicher umfasst. Darüber hinaus gelten die Vorteile und Ausgestaltungen natürlich auch gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Berücksichtigung der beigefügten Figur. In den Figuren des Ausführungsbeispiels bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
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Es zeigt die einzige Figur
eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer elektrischen Anlage für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher gemäß der Erfindung.
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Es zeigt die einzige Figur in einer schematischen Blockschaltbildanordnung eine elektrische Anlage 10 eines nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die elektrische Anlage 10 umfasst zwei Teilbordnetze 46, 48, die vorliegend für eine elektrische Betriebsgleichspannung von 48 V ausgebildet sind. Eines der beiden Teilbordnetze 46, 48, und zwar das Teilbordnetz 48, umfasst elektrische Einheiten 50 wie eine Wankstabilisierung und dergleichen, die hochdynamische Leistungsanforderungen erfordern. An das andere Teilbordnetz 46 ist eine Antriebseinrichtung 44 zum Antreiben des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs angeschlossen. Weiterhin umfasst das Teilbordnetz 46 elektrische Einheiten 52 wie einen elektrisch angetriebenen Klimakompressor, einen elektrisch angetriebenen Motorkompressor und/oder dergleichen. An das Teilbordnetz 46 ist ferner ein DC/DC-Wandler 54 angeschlossen, der eine bidirektionale elektrische Kopplung mit einem zweiten Bordnetz, nämlich einem 12-V-Bordnetz 56, herstellt. Die elektrische Anlage 10 umfasst ferner eine gemeinsame Masseverbindung die Bordnetze, die vorliegend mit 62 bezeichnet ist.
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An das 12-V-Bordnetz 56 sind elektrische Einheiten 58 mit geringem elektrischem Energieverbrauch angeschlossen, beispielsweise eine Fahrzeuginnenraumbeleuchtung, ein Navigationsgerät, ein Infotainmentsystem und/oder dergleichen. Weiterhin umfasst das 12-V-Bordnetz einen Blei-Säure-Akkumulator als elektrischen Energiespeicher, der für eine Bemessungsspannung von 12 V ausgelegt ist.
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Das Teilbordnetz 46 ist für Anwendungen ausgelegt, die einen großen Energieverbrauch in Bezug auf elektrische Energie aufweisen. Gleichwohl sind diese Verbraucher hinsichtlich ihrer Dynamik reduziert.
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An die beiden Teilbordnetze 46, 48 ist ein elektrischer Energiespeicher 12 gemäß der Erfindung angeschlossen. Der elektrische Energiespeicher 12 weist vorliegend ein Gehäuse 14 auf, der an die Fahrzeugmasse 62 angeschlossen ist. Darüber hinaus weist das Gehäuse 14 einen ersten Betriebspotentialanschluss 22 auf, der an das Teilbordnetz 48 angeschlossen ist, sodass zwischen dem Bezugspotentialanschluss 22 und der Fahrzeugmasse 62 eine Betriebsspannung von 48 V anliegt.
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Entsprechend weist das Gehäuse 14 einen zweiten Betriebspotentialanschluss 24 auf, der an das Teilbordnetz 46 angeschlossen ist, sodass zwischen dem zweiten Bezugspotentialanschluss 24 und der Fahrzeugmasse 62 ebenfalls eine Betriebsspannung von 48 V bereitsteht.
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In dem Gehäuse 14 sind ein erster und ein zweiter Zellenblock 30, 32 angeordnet, die Zellenblockanschlüsse 34, 36, 38, 40 aufweisen. Der erste Zellenblock 30 weist die Zellenblockanschlüsse 34 und 36, wohingegen der zweite Zellenblock 32 die Zellenblockanschlüsse 38 und 40 aufweist. Die Zellenblockanschlüsse 36 und 40 sind gemeinsam am Bezugspotentialanschluss 20 angeschlossen. Weiterhin ist der Zellenblockanschluss 34 des zweiten Zellenblocks 30 an den Betriebspotentialanschluss 24 angeschlossen, wohingegen der Zellenblockanschluss 40 des ersten Zellenblocks 32 an dem Bezugspotentialanschluss 24 angeschlossen ist. Dadurch wird zwischen dem Bezugspotentialanschluss 20 und dem jeweiligen der Betriebspotentialanschlüsse 22, 24 die elektrische Gleichspannung von 48 V bereitgestellt.
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In dem Gehäuse sind mehrere galvanische Zellen 16, 18 angeordnet, die jeweils dem ersten oder dem zweiten der beiden Zellenblöcke 30, 32 zugeordnet sind. Vorliegend ist vorgesehen, dass der zweite Zellenblock 30 lediglich eine einzige galvanische Zelle 16 in Form eines Supercaps umfasst. Bei alternativen Ausgestaltungen können hier ebenfalls mehrere Zellen beziehungsweise Supercaps vorgesehen sein. Hingegen umfasst der erste Zellenblock 32 eine Reihenschaltung aus mehreren galvanischen Zellen 18, die vorliegend als Lithium-Ion-Zellen ausgebildet sind. Dadurch haben die galvanischen Zellen 16, 18 der Zellenblöcke 30, 32 unterschiedliche elektrochemische Eigenschaften.
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Beide Zellenblöcke 30, 32 sind für eine Bemessungsspannung von 48 V ausgelegt. Darüber hinaus ergibt sich hieraus, dass der zweite Zellenblock 30 einen kleineren elektrischen Innenwiderstand als der erste Zellenblock 32 bereitstellt. Dies ergibt sich aus den elektrochemischen Eigenschaften der entsprechenden galvanischen Zellen 16, 18.
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Die beiden Betriebspotentialanschlüsse 22, 24 sind ferner mittels eines im Gehäuse 14 angeordneten Gleichspannungskopplers 26 bidirektional elektrisch gekoppelt, sodass zwischen den Zellenblöcken 30, 32 elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Der Gleichspannungskoppler 26 ist vorliegend als DC/DC-Wandler ausgebildet. Er kann jedoch auch durch einen Halbleiterschalter mit gegebenenfalls weiteren passiven elektronischen Komponenten gebildet sein.
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In dem Gehäuse 14 ist ferner eine Steuereinheit 28 angeordnet, die an den Gleichspannungskoppler 26 angeschlossen ist und diesen mittels eines nicht weiter dargestellten Steuersignals steuert. Dadurch kann in vorgebbarer Weise mittels des Gleichspannungskopplers 26 elektrische Energie von einem der beiden Zellenblöcke 30, 32 in den jeweiligen anderen überführt werden.
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Ferner umfasst das Gehäuse 14 eine Kommunikationsschnittstelle 42, die vorliegend mittels einer Steckverbindung zum Anschließen an ein kraftfahrzeuginternes BUS-System ausgebildet ist. Das BUS-System ist vorliegend durch einen CAN-BUS gebildet. Entsprechend kann die Kommunikationsschnittstelle mittels eines hierfür geeigneten Anschlusskabels, an dem ein entsprechend geeigneter Steckverbinder angeordnet ist, an das BUS-System des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein.
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Vorliegend ist vorgesehen, dass der erste Zellenblock 32 eine größere Speicherkapazität für elektrische Energie als der zweite Zellenblock 30 bereitstellt. Dies ist vorliegend deshalb vorgesehen, weil für die elektrische Antriebseinrichtung 44 des Kraftfahrzeugs möglichst viel Energie bereitgestellt werden soll, damit zum Beispiel die Reichweite des Kraftfahrzeugs entsprechend hoch ist oder auch eine gute Rekuperation realisiert werden kann. Dagegen ist für den zweiten Zellenblock 30 lediglich eine kleinere Speicherkapazität für elektrische Energie erforderlich, die durch die Dynamikanforderungen aufgrund der am Bordnetz 48 angeschlossenen elektrischen Einheiten 50 bestimmt ist.
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Nicht dargestellt ist in der Figur, dass die elektrische Antriebseinrichtung 44 vorliegend einen Wechselrichter zum Bereitstellen eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes und eine daran angeschlossene Synchronmaschine umfasst, mittels der das Kraftfahrzeug in gewünschter Weise antreibbar ist.
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Durch diesen Aufbau des elektrischen Energiespeichers 12 wird ferner erreicht, dass aufgrund der elektrischen Antriebseinrichtung 44 hervorgerufene Spannungsrippel im Teilbordnetz 46 nicht auf das Teilbordnetz 48 übertragen werden, weil dies durch den Gleichspannungskoppler 26 und eine entsprechende Ansteuerung hiervon unterdrückt werden kann.
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Jeder der beiden Zellenblöcke 30, 32 umfasst ferner ein elektrisches Schaltelement 64, 66, mittels dem die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen galvanischen Zellen 16, 18 und den entsprechenden Zellenanschlüssen 34, 38 unterbrochen werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Schaltelemente 64, 66 durch einen Halbleiterschalter wie einem MOSFET oder dergleichen gebildet sind. Die Schaltelemente 64, 66 sind ebenfalls an die Steuereinheit 28 angeschlossen und werden von dieser entsprechend gesteuert. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Schaltelemente 64, 66 durch elektromechanische Schaltelemente gebildet sind, die beispielsweise mittels eines Hubmagneten oder dergleichen nach Art eines Schützes ausgebildet sein können. Auch dies kann an die Steuereinheit 28 angeschlossen sein, um in vorgebbarer Weise die Schaltelemente 64, 66 betätigen zu können.
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Nicht dargestellt in der Figur ist, dass die Steuereinheit 28 eine Sensorik umfasst, mittels der die Ladungszustände der Zellenblöcke 30, 32 ermittelt werden können. Darüber hinaus können mittels der Sensorik auch eine Temperatur, ein Druck und gegebenenfalls auch weitere Zustandsparameter der Zellenblöcke 30, 32 erfasst werden. Diese Daten können für Steuerfunktionen, die mittels der Steuereinheit 28 ausgeführt werden, berücksichtigt werden. Darüber hinaus können diese Daten auch über die Kommunikationsschnittstelle 42 der übergeordneten Kraftfahrzeugsteuerung übermittelt werden.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken. So können natürlich Funktionen, der Aufbau der Bordnetze und der elektrischen Anlage variiert werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung, nämlich den einteiligen elektrischen Energiespeicher mit zwei voneinander elektrisch trennbaren Zellenblöcken, zu verlassen.
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Die für den elektrischen Energiespeicher angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für die elektrische Anlage mit dem elektrischen Energiespeicher sowie das mit einer solchen elektrischen Anlage ausgerüstete Kraftfahrzeug. Darüber hinaus gelten die Vorteile und Wirkungen ebenso für das Verfahren bezüglich des Betriebs des elektrischen Energiespeichers. Insofern können für Vorrichtungsmerkmale auch Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005051003 A1 [0013]
- EP 2705990 A1 [0014]
- IN 01381 A [0015]
