DE102016201520A1

DE102016201520A1 - Speichersystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016201520A1
Application number: DE102016201520.6A
Authority: DE
Inventors: Andre Schmitz; Hajo Meinert; Dieter Ziegltrum
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-08-03
Also published as: CN108352717B; US20180342881A1; WO2017133921A1; CN108352717A

Abstract

Es wird ein Speichersystem (100) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Antrieb eines Fahrzeugs beschrieben. Das Speichersystem (100) umfasst ein erstes Speichermodul (110) mit mindestens N ersten Teilmodulen (111, 112) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit N > 1, und mit einer Schalteinheit (113), die eingerichtet ist, die N Teilmodule (111, 112) in einem Lademodus in Serie zu schalten und die N Teilmodule (111, 112) in einem Fahrmodus parallel zu schalten. Außerdem umfasst das Speichersystem (100) ein zweites Speichermodul (120) mit mindestens einem zweiten Teilmodul (121) zur Speicherung von elektrischer Energie und mit einem Gleichspannungswandler (122), der eingerichtet ist, das zweite Teilmodul (121) mit dem ersten Speichermodul (110) zu koppeln. Des Weiteren umfasst das Speichersystem (100) eine Steuereinheit (105), die eingerichtet ist, die Schalteinheit (113) und den Gleichspannungswandler (122) zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Speichersystem mit flexibler Speicherkapazität, das mit relativ hohen Ladeleistungen aufgeladen werden kann.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, z.B. bei PHEV-Fahrzeugen (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) oder bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen (BEV, Battery Electric Vehicles), dient gegenwärtig ein aus einer oder mehreren einzelnen Batterie- bzw. Speicherzellen zusammengesetzter Energiespeicher als Energiequelle. Die Batteriezellen sind meist einzelne Lithium-Ionen-Zellen. Diese sind seriell oder in einer Kombination aus seriellen und parallelen Schaltungen miteinander verbunden. Die Summe und die Art der Verschaltung der Batteriezellen bestimmen dabei die zur Verfügung stehende Energie und damit die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Das Laden eines solchen Energiespeichers wird typischerweise durch den Anschluss an eine externe Ladestation vorgenommen, die mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Die verfügbare Anschlussleistung (Ladeleistung) zum Laden des Energiespeichers kann dabei von der Ladestation abhängig sein. Das Laden mittels Gleichstrom kann als Schnellladen, mit einer Ladeleistung von 50 kW oder mehr, bezeichnet werden. Ein Laden über Wechselstrom ermöglicht Ladeleistungen im Bereich von 3,6 kW bis hin zu 22 kW.
Hohe Ladeleistungen sind vorteilhaft, um lange Standzeiten eines Fahrzeugs für das Nachladen des Energiespeichers zu vermeiden. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ladeleistung ist das Gleichstromladen mit einer erhöhten Ladespannung (von z.B. 800V oder mehr, statt heute 460V oder weniger). Die Verwendung einer höheren Ladespannung erfordert jedoch Änderungen bei der verwendeten HV (Hochvolt) Speichertechnologie. Dabei ist die Verwendung von Energiespeichern mit entsprechend erhöhten Nennspannungen meist nicht gewünscht (z.B. aus Gründen der im Antriebsstrang verwendeten IGBTs eines Inverters, die nur bis zu bestimmten maximalen Grenzspannungen (wie 650 V, 900 V oder 1200 V) genutzt werden können).
DE102014004790A1 beschreibt einen Energiespeicher für ein Fahrzeug, bei dem eine Umschaltmatrix dazu verwendet wird, parallel geschaltete Stränge in dem Energiespeicher seriell zu verschalten, so dass sich die Spannungslage des Energiespeichers verdoppelt (bei Verwendung von zwei parallel geschalteten Strängen). Der in DE102014004790A1 beschriebene Energiespeicher ist jedoch nachteilig in Bezug auf die unterschiedlichen Speicherkapazitäten, die damit bereitgestellt werden können. Insbesondere werden durch die in DE102014004790A1 beschriebene Speicherarchitektur die Skalierbarkeit des Energiespeichers und die realisierbare elektrische Reichweite beschränkt.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein flexibel dimensionierbares Speichersystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, das hohe Ladeleistungen ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Speichersystem zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Antrieb eines Fahrzeugs beschrieben. Insbesondere kann die elektrische Leistung dazu verwendet werden, eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu betreiben. Des Weiteren kann bei Bremsvorgängen ggf. elektrische Leistung durch die elektrische Maschine des Fahrzeugs rekuperiert und in dem Speichersystem gespeichert werden.
Das Speichersystem umfasst ein erstes Speichermodul mit mindestens N ersten Teilmodulen zur Speicherung von elektrischer Energie. Jedes Teilmodul kann dabei zumindest einen Strang von (typischerweise mehreren) Speicherzellen umfassen. Ggf. kann ein Teilmodul auch parallel geschaltete Speicherzellen umfassen. Die Anzahl N von ersten Teilmodulen in dem ersten Speichermodul ist eine ganze und bevorzugt eine gerade Zahl, mit N>1. Bevorzugt kann N=2 sein, wodurch sich ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der Ladespannung (zum Laden des Speichersystems) und der Fahrspannung (zum Betrieb des Antriebssystems des Fahrzeugs) ergibt (insbesondere in Bezug auf die im Fahrzeug verbauten Leistungs-Transistoren). Die N ersten Teilmodule können gleich ausgelegt sein (insbesondere in Bezug auf die jeweilige Nennspannung und/oder auf die jeweilige Speicherkapazität). Außerdem umfasst das erste Speichermodul eine Schalteinheit (mit mehreren Schaltern), die eingerichtet ist, die N Teilmodule in einem Lademodus in Serie zu schalten und die N Teilmodule in einem Fahrmodus parallel zu schalten. Dabei wird das erste Speichermodul typischerweise in dem Lademodus an einer externen Ladestation geladen. Andererseits ist das erste Speichermodul in dem Fahrmodus typischerweise mit einem Antriebssystem des Fahrzeugs (z.B. mit einem Inverter und einer elektrischen Antriebsmaschine) gekoppelt, so dass das erste Speichermodul elektrische Energie an das Antriebssystem abgeben bzw. von dem Antriebssystem aufnehmen kann.
Das Speichersystem umfasst weiter ein zweites Speichermodul mit mindestens einem zweiten Teilmodul zur Speicherung von elektrischer Energie. Das zweite Teilmodul kann einen Strang von (ggf. teilweise parallel geschalteten) Speicherzellen umfassen. Dabei unterscheidet sich die Anzahl von (in Serie geschalteten) Speicherzellen eines zweiten Teilmoduls typischerweise von der Anzahl von (in Serie geschalteten) Speicherzellen eines ersten Teilmoduls. Das zweite Speichermodul umfasst weiter einen (bidirektionalen) Gleichspannungswandler, der eingerichtet ist, das zweite Teilmodul mit dem ersten Speichermodul zu koppeln. Das zweite Speichermodul kann somit über den Gleichspannungswandler elektrische Energie aufnehmen (und in dem zweiten Teilmodul speichern) bzw. elektrische Energie aus dem zweiten Teilmodul abgeben (z.B. zum Betrieb des Antriebssystems des Fahrzeugs).
Außerdem umfasst das Speichersystem eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Schalteinheit und den Gleichspannungswandler zu steuern. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Schalteinheit derart anzusteuern, dass in dem Lademodus die Serienschaltung aus den N ersten Teilmodulen parallel zu einer Ladedose des Fahrzeugs geschaltet ist, über die das Speichersystem an eine externe Ladestation angeschlossen werden kann. Somit kann ein relativ schneller Ladevorgang mit einer relativ hohen Ladespannung U_L erfolgen. Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Gleichspannungswandler im Lademodus anzusteuern, um eine elektrische Leistung, die dem zweiten Teilmodul zugeführt bzw. ggf. entnommen wird, gemäß einer Ziel-Leistung einzustellen. Somit kann die Verteilung der Ladeleistung auf das erste Speichermodul und auf das zweite Speichermodul im Lademodus durch Ansteuerung des Gleichspannungswandlers eingestellt werden.
In entsprechender Weise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Schalteinheit des ersten Speichermoduls derart anzusteuern, dass in dem Fahrmodus die Parallelschaltung aus den N ersten Teilmodulen parallel zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs geschaltet ist. Somit kann ein sicherer Betrieb des Fahrzeugs mit einer relativ niedrigen Fahrspannung U_F erfolgen. Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Gleichspannungswandler im Fahrmodus anzusteuern, um eine elektrische Leistung, die dem zweiten Teilmodul zugeführt (z.B. bei Rekuperation) bzw. entnommen wird, gemäß einer Ziel-Leistung einzustellen. Somit kann die Verteilung der Betriebsleistung des Fahrzeugs auf das erste Speichermodul und auf das zweite Speichermodul im Fahrmodus durch Ansteuerung des Gleichspannungswandlers eingestellt werden.
Aufgrund der Kombination eines ersten Speichermoduls mit konfigurierbaren ersten Teilmodulen und eines zweiten Speichermoduls mit einem Gleichspannungswandler kann ein Speichersystem bereitgestellt werden, das mit einer relativ hohen Ladeleistung geladen werden kann und das die Bereitstellung von flexiblen Speicherkapazitäten ermöglicht.
Das Antriebssystem des Fahrzeugs kann für elektrische Energie mit der Fahrspannung U_F ausgelegt sein. Die N ersten Teilmodule können dann jeweils eine Nennspannung aufweisen, die der Fahrspannung U_F entspricht. Andererseits kann das zweite Teilmodul eine (beliebige) zweite Nennspannung aufweisen. Der Gleichspannungswandler kann dann eingerichtet sein, elektrische Energie zwischen der zweiten Nennspannung und der Fahrspannung U_F zu wandeln. Die Verwendung eines Gleichspannungswandlers ermöglicht somit eine flexible Auslegung des zweiten Speichermoduls, insbesondere der Speicherkapazität und der verwendeten Technologie des zweiten Speichermoduls, und somit eine flexible Auslegung des Speichersystems insgesamt.
Eine Ladestation zur Ladung der N ersten Teilmodule und des zweiten Teilmoduls kann elektrische Energie mit einer Ladespannung U_L bereitstellen. Aufgrund der Serienschaltung der N ersten Teilmodule kann die Ladespannung U_L dabei N mal der Fahrspannung U_F entsprechen, so dass hohe Ladeleistungen ermöglicht werden. Beispielsweise können die Fahrspannung U_F bei ca. 400–500V und die Ladespannung U_L bei ca. 800–1000V liegen (bei N = 2).
Das zweite Speichermodul kann parallel zu dem ersten Speichermodul angeordnet sein, so dass das zweite Speichermodul (und insbesondere der Gleichspannungswandler) im Lademodus parallel zu der Ladespannung U_L und im Fahrmodus parallel zu der Fahrspannung U_F angeordnet ist. Der Gleichspannungswandler kann dann ausgelegt sein, um die Fahrspannung U_F bzw. die Ladespannung U_L in die zweite Nennspannung (bzw. umgekehrt) zu wandeln.
Andererseits kann das Speichersystem eine zweite Schalteinheit umfassen, die eingerichtet ist, das zweite Speichermodul im Lademodus entweder parallel zu einer ersten oder parallel zu einer unterschiedlichen zweiten Teilmenge der N ersten Teilmodule anzuordnen. Als Folge daraus, kann das zweite Speichermodul (und insbesondere der Gleichspannungswandler) im Lademodus parallel zu einer Teilspannung der Ladespannung U_L angeordnet werden, so dass die Anforderungen (und damit u.a. die Kosten) an den Gleichspannungswandler reduziert werden können.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die zweite Schalteinheit anzusteuern, um im Lademodus in einer ersten Phase das zweite Speichermodul parallel zu der ersten Teilmenge anzuordnen und in einer zweiten Phase das zweite Speichermodul parallel zu der zweiten Teilmenge anzuordnen. Dabei können die Längen der ersten Phase und der zweiten Phase derart gewählt werden, dass die Ladezustände der einzelnen ersten Teilmodule in etwa gleich sind. Durch das Umschalten des zweiten Speichermoduls im Lademodus können Ausgleichsströme zwischen den N ersten Teilmodulen beim Übergang in den Fahrmodus vermieden bzw. reduziert werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass das zweite Speichermodul im Durchschnitt eine höhere (z.B. thermische) Belastung aufweist als das erste Speichermodul. So kann z.B. eine Kühlung des Speichersystems auf das zweite Speichermodul konzentriert werden. Des Weiteren kann so ein Verschleiß des Speichersystems auf das zweite Speichermodul konzentriert werden. So können die Kosten und insbesondere die Betriebskosten des Speichersystems reduziert werden (da z.B. die Lebensdauer des ersten Speichermoduls erhöht werden kann).
Das erste Speichermodul kann eine erste Speicherkapazität und das zweite Speichermodul kann eine zweite Speicherkapazität aufweisen. Dabei kann die erste Speicherkapazität größer sein als die zweite Speicherkapazität (z.B. um den Faktor 2, 3, 4 oder mehr). In einem Zeitintervall kann das erste Speichermodul einen ersten Durchsatz an elektrischer Energie relativ zu der ersten Speicherkapazität und das zweite Speichermodul kann einen zweiten Durchsatz an elektrischer Energie relativ zu der zweiten Speicherkapazität aufweisen (insbesondere zur Entladung und/oder zur Ladung des jeweiligen Speichermoduls). Der Durchsatz an elektrischer Energie kann dabei eine Belastung für das jeweilige Speichermodul darstellen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass in dem Zeitintervall der zweite Durchsatz höher ist als der erste Durchsatz. So kann eine Belastung des Speichersystems auf das zweite Speichermodul konzentriert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Speichersystems für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes Speichermodul mit mindestens N ersten Teilmodulen zur Speicherung von elektrischer Energie, mit N > 1. Außerdem umfasst das Speichersystem ein zweites Speichermodul mit mindestens einem zweiten Teilmodul zur Speicherung von elektrischer Energie und mit einem Gleichspannungswandler.
Das Verfahren umfasst, in einem Lademodus, das Anordnen der N ersten Teilmodule in Serie, um das erste Speichermodul mit einer Ladespannung U_L über den in Serie angeordneten N ersten Teilmodulen zu laden; sowie das Anordnen des Gleichspannungswandlers parallel zu zumindest einem Teil der in Serie angeordneten N ersten Teilmodule, um das zweite Teilmodul zu laden. Außerdem umfasst das Verfahren, in einem Fahrmodus, das Anordnen der N ersten Teilmodule parallel zueinander, um das erste Speichermodul mit einer Fahrspannung U_F über den parallel angeordneten N ersten Teilmodulen zu betreiben; sowie das Anordnen des Gleichspannungswandlers parallel zu den parallel angeordneten N ersten Teilmodulen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene Speichersystem umfasst.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1a und 1b unterschiedliche Zustände eines beispielhaften Speichersystems mit einem ersten Speichermodul und einem zweiten Speichermodul;
2a, 2b und 2c unterschiedliche Zustände eines weiteren beispielhaften Speichersystems mit einem ersten Speichermodul und einem zweiten Speichermodul; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Speichersystems.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Speichersystems für ein Fahrzeug, das flexible Speicherkapazitäten ermöglicht und das mit relativ hohen Ladeleistungen geladen werden kann. Die 1a und 1b zeigen in diesem Zusammenhang ein Speichersystem 100 mit einem ersten Speichermodul 110 und einen zweiten Speichermodul 120. Das erste Modul 110 kann als Basisspeichermodul und das zweite Modul 120 kann als Ergänzungsspeichermodul bezeichnet werden. Das erste Modul 110 umfasst N erste Teilmodule 111, 112, die durch eine Umschalteinheit 112 in Serie zueinander oder parallel zueinander geschaltet werden können (wobei N ein ganze (gerade) Zahl, mit N > 1, insbesondere N = 2, ist). Parallel zu dem ersten Modul 110 ist ein zweites Modul 120 angeordnet, das ein oder mehrere zweite Teilmodule 121 aufweist. Die ein oder mehreren zweiten Teilmodule 121 sind über einen Gleichspannungswandler 122 mit dem ersten Modul 110 verbunden.
Als Basisspeichermodul wird somit ein erstes Modul 110 mit mindestens zwei oder mehr parallel verschalteten ersten Teilmodulen 111, 112 verwendet, wobei ein erstes Teilmodul 111, 112 ein oder mehrere Speicherzellen bzw. Stränge von Speicherzellen umfasst. Parallel zu dem ersten Modul 110 wird ein zweites Modul 120 geschaltet, das bei Bedarf eine erweiterte Skalierbarkeit ermöglicht.
Das Energiespeichersystem 100 kann in zwei unterschiedlichen Modi, Modus „Fahren“ bzw. Fahrmodus und Modus „Laden“ bzw. Lademodus, betrieben werden. In 1a ist der Betriebsmodus „Fahren“ dargestellt. Die Spannungslage des elektrischen Antriebssystems 103, 104 (d.h. die Fahrspannung U_F) entspricht in diesem Fall der Spannungslage eines ersten Teilmoduls 111, 112 des ersten Moduls 110 (z.B. einer Spannung bis zu 460 V). Diese Spannungslage ist abhängig von der Anzahl der in Serie verschalteten Speicherzellen in einem ersten Teilmodul 111, 112. Die ersten Teilmodule 111, 112 sind daher typischerweise in Abhängigkeit von den Anforderungen des Antriebssystems 103, 104 (d.h. insbesondere des Inverters 103 und/oder der elektrischen Antriebsmaschine 104) eines Fahrzeugs ausgelegt. Andererseits kann in einem zweiten Teilmodul 121 des zweiten Moduls 120 eine beliebige, ggf. kleinere, Anzahl an Speicherzellen in Serie verschaltet sein, und der Gleichspannungswandler 122 (z.B. ein bidirektionaler Hochsetzsteller) kann dazu verwendet werden, die Spannungslage der ein oder mehreren zweiten Teilmodule 121 an die Spannungslage U_F (z.B. bis zu 460V) im Bordnetz 106 des Fahrzeugs anzupassen.
Wenn das Fahrzeug (z.B. über ein Ladekabel 102) an eine Ladestation 101 angeschlossen wird, so wechselt das Fahrzeug durch Betätigung der Umschalteinheit 113 in den Betriebsmodus „Laden“, so dass die parallel geschalteten ersten Teilmodule 111, 112 aus 1a in Serie geschaltet werden (wie in 1b dargestellt). Die Umschalteinheit 113 kann dabei durch eine Steuereinheit 105 angesteuert werden. Durch die serielle Verschaltung der N ersten Teilmodule 111, 112 erhöht sich die Ladespannung U_L auf dem Ladekabel 102 um den Faktor N gegenüber der Fahrspannung U_F im Bordnetz 106. Auch das zweite Modul 120 kann durch die Umschalteinheit 113 parallel zur Ladestation 102 und zu der Ladespannung U_L geschaltet werden, so dass der Gleichspannungswandler 122 nun in einem erhöhten Spannungsbereich U_L (z.B. von bis zu 1000V) arbeitet.
Das erste Modul 110 nimmt während eines Ladevorgangs (gemäß 1b) aufgrund der erhöhten Ladespannung U_L eine erhöhte Ladeleistung auf. Über den Gleichspannungswandler 122 können die ein oder mehreren zweiten Teilmodule 121 des zweiten Moduls 120 mit der erforderlichen Ladeleistung versorgt werden.
Für einen Ladevorgang können dabei unterschiedliche Ladestrategien verwendet werden:

• Es können alle Speichermodule 110, 120 gleichzeitig geladen werden, ggf. mit unterschiedlichen Ladeleistungen. Die unterschiedlichen Ladeleistungen können über den Gleichspannungswandler 122 eingestellt werden. Die Ladeleistungen können derart eingestellt werden, dass alle Speichermodule 110, 120 gleichzeitig vollständig geladen sind.
• Das erste Modul 110 kann mit einer bestimmten Ladeleistung bis zu einer maximalen Ladeleistung geladen werden und das zweite Modul 120 kann in Überlast geladen werden, so dass das zweite Modul 120 schneller geladen ist als das erste Modul 110. Der DC/DC-Wandler 122 kann nach dem Erreichen des maximalen Ladezustands des zweiten Moduls 120 die Ladeleistung für das zweite Modul 120 auf 0W setzen.
• Das erste Modul 110 kann mit einer Ladeleistung bis zu der maximalen Ladeleistung geladen werden und das zweite Modul 120 kann mit einer so geringen Leistung geladen werden, dass das zweite Modul 120 langsamer lädt als das erste Modul 110. Sobald das erste Modul 110 vollständig geladen ist, stoppt der Ladevorgang, so dass das zweite Modul 120 nicht vollständig geladen ist.
• Es kann ausschließlich das erste Modul 110 geladen werden. Ggf. kann eine Umladung von dem ersten Module 110 auf das zweite Modul 120 erfolgen, wobei der Umladevorgang durch den Gleichspannungswandler 122 gesteuert werden kann. Der Gleichspannungswandler 122 kann über die Steuereinheit 105 gesteuert werden.

Nachdem der Ladevorgang beendet ist, können die ersten Teilmodule 111, 112 des ersten Moduls 110 wieder für den Fahrbetrieb parallel verschaltet werden (wie in 1a dargestellt), so dass die Spannungslage reduziert wird (auf die Fahrspannung U_F). Der DC/DC-Wandler 122 kann sich dabei an die niedrigere Spannungslage U_F anpassen. Bei diesem Umschaltvorgang kann es z.B. aufgrund von unterschiedlich gealterten Zellen zu unterschiedlichen Spannungslagen der ersten Teilmodule 111, 112 des ersten Moduls 110 kommen, so dass beim Parallelschalten unerwünschte Ausgleichsströme fließen. Derartige Ausgleichsströme können durch die in den 2a, 2b und 2c dargestellte Variante des Speichersystems 100 vermieden werden.
Eine weitere Variante eines Speichersystems 100 ist in den 2a, 2b, und 2c gezeigt. Dieses Speichersystem 100 umfasst eine weitere zweite Umschalteinheit 213, die es ermöglicht, den DC/DC-Wandler 122 auch im Lademodus nur bis zu einer Spannungslage zu betreiben, die der Fahrspannung U_F (z.B. von 460 V) entspricht. Zu diesem Zweck kann das zweite Modul 120 im Lademodus durch die zweite Umschalteinheit 213 zu mindestens einem oder zu einem geradzahligen Vielfachen von parallel geschalteten ersten Teilmodulen 111, 112 parallel geschaltet werden (wie in den 2b und 2c dargestellt).
2a zeigt das Speichermodul 100 in dem Betriebsmodus „Fahren“, bei dem die ersten Teilmodule 111, 112 des ersten Speichermoduls 110 parallel zueinander angeordnet sind, und bei dem das erste Speichermodul 110 und das zweite Speichermodul 120 parallel zueinander mit dem Bordnetz 106 gekoppelt sind.
Der Betriebsmodus „Laden“ kann in unterschiedliche Phasen unterteilt werden, in denen das zweite Speichermodul 120 parallel zu unterschiedlichen ersten Teilmodulen 111, 112 des ersten Speichermoduls 110 angeordnet wird. Mit anderen Worten, während des Ladevorgangs kann zwischen der Verortung der Parallelschaltung des zweiten Moduls 120 mit mindestens einem oder mit einem geradzahligen Vielfachen von parallel geschalteten ersten Teilmodulen 111, 112 des ersten Moduls 110 gewechselt werden. Der Wechsel der Verortung kann dazu verwendet werden, unterschiedliche Ladezustände der ersten Teilmodule 111, 112 zu vermeiden bzw. auszugleichen. Wenn das zweite Modul 120 im Ladevorgang zu einem ersten Teilmodul 111, 112 parallel geschaltet wird, so entnimmt das zweite Modul 120 diesem ersten Teilmodul 111, 112 Ladeleistung und/oder entlastet dieses erste Teilmodul 111, 112. Dies könnte dazu führen, dass die unterschiedlichen Teilmodule 111, 112 im ersten Modul 110 unterschiedliche Ladezustände bzw. SOCs (State of Charge) aufweisen. Durch die Umschaltung der Verortung des zweiten Speichermoduls 120 kann die ungleiche Belastung der ersten Teilmodule 111, 112 ausgeglichen werden, so dass nach dem Ladevorgang (ohne substantielle Ausgleichsströme zwischen den ersten Teilmodulen 111, 112 des ersten Speichermoduls 110) wieder auf die Parallelschaltung der ersten Teilmodule 111, 112 zurückgeschaltet werden kann (wie in 2a dargestellt).
Unterschiedliche Ladezustände der ersten Teilmodule 111, 112 können auch durch andere Gründe (insbesondere durch unterschiedlich gealterte Zellen in den ersten Teilmodulen 111, 112) verursacht werden. Durch die Umschaltung der Verortung des zweiten Speichermoduls 120 kann ein Lade- bzw. Spannungsunterschied zwischen den ersten Teilmodulen 111, 112 vor dem Parallelschalten ausgeglichen werden.
2b zeigt eine erste Phase des Ladevorgangs, bei dem das zweite Modul 120 parallel zu dem ersten Teilmodul 111 angeordnet ist, und 2c zeigt eine zweite Phase des Ladevorgangs, bei dem das zweite Modul 120 parallel zu dem ersten Teilmodul 112 angeordnet ist. Die Umschaltung zwischen den beiden Phasen erfolgt durch die Schalter der Schalteinheit 213.
Der DC/DC-Wandler 122 kann in den beschriebenen Speichersystemen 100 als bidirektionaler Hochsetzsteller ausgelegt sein. Optional kann der DC/DC-Wandler 122 durch Vertrimmung bzw. durch einen ineffizienten Betrieb als HV-Speicherheizung genutzt werden.
Die kombinierte Verwendung eines Basisspeichermoduls 110 mit umschaltbaren ersten Teilmodulen 111, 112 und eines Ergänzungsspeichermoduls 120 mit Gleichspannungswandler 122 ermöglicht eine freie Skalierbarkeit und die Bereitstellung von unterschiedlichen elektrischen Reichweiten und Antriebsleistungen. Dabei kann ein relativ klein dimensionierter Gleichspannungswandler 122 verwendet werden, so dass ein Kosten-, Bauraum-, Gewichts- und Verbrauchs-effizientes Speichersystem 100 bereitgestellt werden kann.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betrieb eines Speichersystems 100 für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Speichersystem 100 umfasst ein erstes Speichermodul 110 mit mindestens N ersten Teilmodulen 111, 112 zur Speicherung von elektrischer Energie. Dabei ist N eine ganze, typischerweise gerade, Zahl mit N > 1. Das Speichersystem 100 umfasst weiter ein zweites Speichermodul 120 mit mindestens einem zweiten Teilmodul 121 zur Speicherung von elektrischer Energie und mit einem Gleichspannungswandler 122.
Das Verfahren 300 umfasst, in einem Lademodus zum Laden des Speichersystems 100, das Anordnen 301 der N ersten Teilmodule 111, 112 in Serie, um das erste Speichermodul 110 mit einer Ladespannung U_L über den in Serie angeordneten N ersten Teilmodulen 111, 112 zu laden. Zu diesem Zweck kann das erste Speichermodul 110 mit der Serienschaltung aus den N ersten Teilmodulen 111, 112 parallel zu einer Ladestation 101 geschaltet werden. Das Anordnen 301 der N ersten Teilmodule 111, 112 in Serie kann über eine Schalt- bzw. Umschalteinheit 113 des Speichersystems 100 erfolgen.
Außerdem umfasst das Verfahren 300 in dem Lademodus, das Anordnen 302 des Gleichspannungswandlers 122 parallel zu zumindest einem Teil der in Serie angeordneten N ersten Teilmodule 111, 112, ggf. um das zweite Teilmodul 121 zu laden. Dabei kann der Gleichspannungswandler 122 dazu verwendet werden, eine Ladeleistung für das zweite Teilmodul 121 einzustellen (z.B. gemäß einer Ziel-Ladeleistung).
Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 in einem Fahrmodus, bei dem das Speichersystem 100 parallel zu einem Antriebssystem 103, 104 des Fahrzeugs angeordnet ist, das Anordnen 303 der N ersten Teilmodule 111, 112 parallel zueinander und parallel zu dem Antriebssystem 103, 104 des Fahrzeugs. So kann das erste Speichermodul 110 mit einer Fahrspannung U_F über den parallel angeordneten N ersten Teilmodulen 111, 112 betrieben werden. Dabei ist die Fahrspannung U_F typischerweise N mal kleiner als die Ladespannung U_L.
Das Verfahren 300 kann weiter umfassen, das Anordnen 304 des Gleichspannungswandlers 122 parallel zu den parallel angeordneten N ersten Teilmodulen 111, 112 und parallel zu dem Antriebssystem 103, 104 des Fahrzeugs.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
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 102014004790 A1 [0005, 0005, 0005]

Claims

Speichersystem (100) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Antrieb eines Fahrzeugs; wobei das Speichersystem (100) umfasst, – ein erstes Speichermodul (110) mit mindestens N ersten Teilmodulen (111, 112) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit N > 1, und mit einer Schalteinheit (113), die eingerichtet ist, die N Teilmodule (111, 112) in einem Lademodus in Serie zu schalten und die N Teilmodule (111, 112) in einem Fahrmodus parallel zu schalten; – ein zweites Speichermodul (120) mit mindestens einem zweiten Teilmodul (121) zur Speicherung von elektrischer Energie und mit einem Gleichspannungswandler (122), der eingerichtet ist, das zweite Teilmodul (121) mit dem ersten Speichermodul (110) zu koppeln; und – eine Steuereinheit (105), die eingerichtet ist, die Schalteinheit (113) und den Gleichspannungswandler (122) zu steuern.
Speichersystem (100) gemäß Anspruch 1, wobei – ein Antriebssystem (103, 104) des Fahrzeugs für elektrische Energie mit einer Fahrspannung (U_F) ausgelegt ist; – die N ersten Teilmodule (111, 112) jeweils eine Nennspannung aufweisen, die der Fahrspannung (U_F) entspricht; – das zweite Teilmodul (121) eine zweite Nennspannung aufweist; und – der Gleichspannungswandler (122) eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen der zweiten Nennspannung und der Fahrspannung (U_F) zu wandeln.
Speichersystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei – eine Ladestation (101) zur Ladung der N ersten Teilmodule (111, 112) und des zweiten Teilmoduls (121) elektrische Energie mit einer Ladespannung (U_L) bereitstellt; und – die Ladespannung (U_L) N mal der Fahrspannung (U_F) entspricht.
Speichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) eingerichtet ist, – die Schalteinheit (113) derart anzusteuern, dass in dem Lademodus die Serienschaltung aus den N ersten Teilmodulen (111, 112) parallel zu einer Ladedose des Fahrzeugs geschaltet ist, über die das Speichersystem (100) an eine Ladestation (101) angeschlossen werden kann; und/oder – die Schalteinheit (113) derart anzusteuern, dass in dem Fahrmodus die Parallelschaltung aus den N ersten Teilmodulen (111, 112) parallel zu einem Antriebssystem (103, 104) des Fahrzeugs geschaltet ist.
Speichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) eingerichtet ist, den Gleichspannungswandler (122) im Lademodus und/oder im Fahrmodus anzusteuern, um eine elektrische Leistung, die dem zweiten Teilmodul (121) zugeführt bzw. entnommen wird, gemäß einer Ziel-Leistung einzustellen.
Speichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speichersystem (100) eine zweite Schalteinheit (213) umfasst, die eingerichtet ist, das zweite Speichermodul (120) im Lademodus entweder parallel zu einer ersten oder parallel zu einer unterschiedlichen zweiten Teilmenge der N ersten Teilmodule (111, 112) anzuordnen.
Speichersystem (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (105) eingerichtet ist, die zweite Schalteinheit (213) anzusteuern, um im Lademodus – in einer ersten Phase das zweite Speichermodul (120) parallel zu der ersten Teilmenge anzuordnen; und – in einer zweiten Phase das zweite Speichermodul (120) parallel zu der zweiten Teilmenge anzuordnen.
Speichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) eingerichtet ist, den Gleichspannungswandler (122) derart zu steuern, dass das zweite Speichermodul (120) im Durchschnitt eine höhere Belastung aufweist als das erste Speichermodul (110).
Speichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – das erste Speichermodul (110) eine erste Speicherkapazität und das zweite Speichermodul (120) eine zweite Speicherkapazität aufweist; – in einem Zeitintervall das erste Speichermodul (110) einen ersten Durchsatz an elektrischer Energie relativ zu der ersten Speicherkapazität und das zweite Speichermodul (120) einen zweiten Durchsatz an elektrischer Energie relativ zu der zweiten Speicherkapazität aufweist; und – die Steuereinheit (105) eingerichtet ist, den Gleichspannungswandler (122) derart zu steuern, dass in dem Zeitintervall der zweite Durchsatz höher ist als der erste Durchsatz.
Verfahren (300) zum Betrieb eines Speichersystems (100) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei das Speichersystem (100) ein erstes Speichermodul (110) mit mindestens N ersten Teilmodulen (111, 112) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit N > 1, umfasst, und wobei das Speichersystem (100) ein zweites Speichermodul (120) mit mindestens einem zweiten Teilmodul (121) zur Speicherung von elektrischer Energie und mit einem Gleichspannungswandler (122) umfasst, wobei das Verfahren (300) umfasst, in einem Lademodus, – Anordnen (301) der N ersten Teilmodule (111, 112) in Serie, um das erste Speichermodul (110) mit einer Ladespannung (U_L) über den in Serie angeordneten N ersten Teilmodulen (111, 112) zu laden; und – Anordnen (302) des Gleichspannungswandlers (122) parallel zu zumindest einem Teil der in Serie angeordneten N ersten Teilmodule (111, 112), um das zweite Teilmodul (121) zu laden; und in einem Fahrmodus, – Anordnen (303) der N ersten Teilmodule (111, 112) parallel zueinander, um das erste Speichermodul (110) mit einer Fahrspannung (U_F) über den parallel angeordneten N ersten Teilmodulen (111, 112) zu betreiben; und – Anordnen (304) des Gleichspannungswandlers (122) parallel zu den parallel angeordneten N ersten Teilmodulen (111, 112).