DE102016207033A1 - Elektrische Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeugbordnetz, Fahrzeugbordnetz - Google Patents

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Abstract

Offenbart wird eine elektrische Energiespeichervorrichtung (EV) für ein Bordnetz (BN) eines Kraftfahrzeugs, umfassend: – eine erste elektrische Energiespeichereinheit (ES1) zum Bereitstellen eines ersten Laststromes (Ia1) für eine erste Last (L1); – eine zweite elektrische Energiespeichereinheit (ES2) zum Bereitstellen eines zweiten Laststromes (Ia2) für eine zweite Last (L2); – einen Gleichspannungswandler (GW), welcher mit der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist; – eine Messanordnung (MA) zum Ermitteln von Zuständen der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit; – eine Steueranordnung (SA), welche signaleingangsseitig mit der Messanordnung (MA) und signalausgangsseitig mit dem Gleichspannungswandler (GW) elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, abhängig von den ermittelten Zuständen der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit den Gleichspannungswandler (GW) derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler (GW) • mit der ersten Energiespeichereinheit (ES1) einen ersten Umladestrom (Igw1) zum Versorgen der zweiten Last (L2) und/oder zum Aufladen der zweiten Energiespeichereinheit (ES2), oder • mit der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) einen zweiten Umladestrom (Igw2) zum Versorgen der ersten Last (L1) und/oder zum Aufladen der ersten Energiespeichereinheit (ES1), generiert.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeugbordnetz mit einer genannten elektrischen Energiespeichervorrichtung.
  • Stand der Technik:
  • Kraftfahrzeuge, insbesondere Hybridelektro-/Elektrofahrzeuge, umfassen Mehrspannungsbordnetze (Bordnetze mit zwei oder mehr Bordnetzzweigen), in denen zwei oder mehr Bordnetzspannungen unterschiedlicher oder gleicher Spannungsniveaus für verschiedene elektrische Komponenten mit unterschiedlich hohen Betriebsspannungen vorgesehen sind. Zur Bereitstellung dieser unterschiedlichen Bordnetzspannungen weisen die Mehrspannungsbordnetze elektrische Energiespeichervorrichtungen auf, welche in der Lage sind, die verschiedenen Bordnetzspannungen bereitzustellen. Dabei ist die technische Anforderung an den Mehrspannungsbordnetzen und somit an den Energiespeichervorrichtungen sehr hoch und die Energiespeichervorrichtungen müssen dementsprechend zuverlässig über eine definierte Lebensdauer funktionieren.
  • Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine zuverlässige elektrische Energiespeichervorrichtung für ein Bordnetz über eine definierte Lebensdauer bereitzustellen.
  • Beschreibung der Erfindung:
  • Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Energiespeichervorrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, bereitgestellt.
  • Die Energiespeichervorrichtung umfasst eine erste elektrische Energiespeichereinheit zum Bereitstellen eines ersten Laststromes für eine erste elektrische Last, und eine zweite elektrische Energiespeichereinheit zum Bereitstellen eines zweiten Laststromes für eine zweite elektrische Last.
  • Die Energiespeichervorrichtung umfasst ferner einen steuerbaren Gleichspannungswandler, welcher mit der ersten und der zweiten Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist.
  • Die Energiespeichervorrichtung umfasst ferner eine Messanordnung, welche eingerichtet ist, Zustände der ersten und der zweiten Energiespeichereinheit zu ermitteln.
  • Die Energiespeichervorrichtung umfasst ferner eine Steueranordnung, welche signaleingangsseitig mit der Messanordnung und signalausgangsseitig mit dem Gleichspannungswandler elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, abhängig von den ermittelten Zuständen der ersten und der zweiten Energiespeichereinheit den Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler mit der ersten Energiespeichereinheit einen ersten Umladestrom zum Versorgen der zweiten Last (insb. auch zum Aufladen der zweiten Energiespeichereinheit) generiert, oder mit der zweiten Energiespeichereinheit einen zweiten Umladestrom zum Versorgen der ersten Last (insb. auch zum Aufladen der ersten Energiespeichereinheit) generiert.
  • Die oben genannte erste und die zweite Energiespeichereinheit sind vorzugsweise unterschiedlichen Typs bzw. weisen unterschiedliche Ladespannungen auf. Ferner sind diese vorzugsweise für unterschiedliche Funktionen bzw. zum Bereitstellen von unterschiedlichen Lastströmen mit unterschiedlichen Stromstärken und Stromabläufen für unterschiedliche elektrische Lasten ausgelegt.
  • Bspw. umfassen die beiden Energiespeichereinheiten jeweils eine Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs bzw. einen Leistungskondensator (auf Englisch „Super-Cap“) zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs.
  • Die erste bzw. die zweite elektrische Last umfasst bspw. jeweils einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs bzw. einen Startergenerator zum Starten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs.
  • Wird die erste Last allein von der ersten Energiespeichereinheit mit dem ersten Laststrom versorgt, so entspricht der erste Laststrom im Wesentlichen dem Entladestrom der ersten Energiespeichereinheit. Analog gilt dies auch für den zweiten Laststrom, wobei dieser im Wesentlichen dem Entladestrom der zweiten Energiespeichereinheit entspricht, falls die zweite Last allein von der zweiten Energiespeichereinheit mit dem zweiten Laststrom versorgt wird.
  • Der Gleichspannungswandler ist primär ausgeführt, eine Betriebsspannung für die erste elektrische Last (von bspw. der ersten Energiespeichereinheit) in eine weitere Betriebsspannung für die zweite elektrische Last (von bspw. der zweiten Energiespeichereinheit) und/oder umgekehrt umzuwandeln.
  • Die Messanordnung ist insb. ein Sammelbegriff von (mindestens einer) diversen Messeinheiten zum Erfassen von verschiedenen physikalischen Messgrößen, basierend auf diesen Messgrößen(Betriebs-)Zustände der beiden Energiespeichereinheiten sich ermitteln lassen. Diese Messgrößen sind in nachfolgenden Textabschnitten aufgelistet.
  • Die Steueranordnung umfasst insb. einen Mikrokontroller, welcher anhand der ermittelten (Betriebs-)Zustände der beiden Energiespeichereinheiten mittels mindestens eines Steuersignals den Gleichspannungswandler steuert, so dass dieser in seiner sekundären Funktion den oben genannten ersten Umladestrom von der ersten Energiespeichereinheit oder den zweiten Umladestrom von der zweiten Energiespeichereinheit generiert.
  • Dabei kann der erste Umladestrom gleich dem zweiten Laststrom (wenn die zweite Energiespeichereinheit keinen Entladestrom bereitstellt), einem Teil des zweiten Laststromes (wenn die zweite Energiespeichereinheit keinen ausreichenden zweiten Laststrom bereitstellt), oder gleich einer Summe des zweiten Laststromes und eines zweiten Ladestromes der zweiten Energiespeichereinheit sein (wenn die zweite Energiespeichereinheit mit dem zweiten Ladestrom auflädt).
  • Analog kann der zweite Umladestrom gleich dem ersten Laststrom (wenn die erste Energiespeichereinheit keinen Entladestrom bereitstellt), einem Teil des ersten Laststromes (wenn die erste Energiespeichereinheit keinen ausreichenden ersten Laststrom bereitstellt), oder gleich einer Summe des ersten Laststromes und eines ersten Ladestromes der ersten Energiespeichereinheit sein (wenn die erste Energiespeichereinheit mit dem ersten Ladestrom auflädt).
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die beiden Energiespeichereinheiten für unterschiedliche Funktionen ausgelegt sind und somit unterschiedliche Beschaffenheit bzw. unterschiedliche Zellmaterialien aufweisen. Damit weisen die beiden Energiespeichereinheiten unterschiedliche Zyklenfestigkeiten bzw. unterschiedliche Lebensdauer auf. Bedingt durch unterschiedliche Betriebssituationen der beiden elektrischen Lasten werden die beiden Energiespeichereinheiten zudem unterschiedlich stark belastet. Als Folge altern die beiden Energiespeichereinheiten unterschiedlich. Dies führt zu einer Verkürzung des Wartungsintervalls oder gar zu einem verfrühten Ausfall der Energiespeichervorrichtung.
  • Mit der oben beschriebenen Energiespeichervorrichtung ist es gelungen, die beiden Energiespeichereinheiten gleichmäßig auszulasten und somit gleichmäßig altern zu lassen. Mit der Messanordnung werden die Zustände der beiden Energiespeichereinheiten überwacht und die Energiespeichereinheiten werden abhängig von den aktuellen Zuständen ausgelastet. Hierzu wird der Gleichspannungswandler, der primär zur Spannungswandlung ausgelegt ist, von der Steueranordnung abhängig von den ermittelten aktuellen Zuständen der beiden Energiespeichereinheiten in seiner sekundären Funktion betrieben, in der dieser elektrischen Strom von einer Energiespeichereinheit mit einem besseren Zustand zu einer elektrischen Last verlagert, welche eigentlich mit Strom von einer anderen Energiespeichereinheit mit einem schlechteren Zustand versorgt werden sollte. Damit wird die Energiespeichereinheit mit dem schlechteren Zustand entlastet. Dadurch wird die Lebensdauer der Energiespeichereinheit mit dem schlechteren Zustand und somit auch der Wartungsintervall der gesamten Energiespeichervorrichtung verlängert.
  • Damit ist eine zuverlässige und langlebige elektrische Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeugbordnetz bereitgestellt.
  • Vorzugsweise ist die Messanordnung ferner eingerichtet, zur Ermittlung der Zustände der ersten und/oder der zweiten Energiespeichereinheit Ladezustände, Alterungszustände und/oder Temperaturen der ersten und/oder der zweiten Energiespeichereinheit zu erfassen.
  • Vorzugsweise ist die Steueranordnung ferner eingerichtet, abhängig von den von der Messanordnung ermittelten Soll-Ladezuständen der ersten und/oder der zweiten Energiespeichereinheit den Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler im Falle, dass ein erster Ladezustand der ersten Energiespeichereinheit kleiner als ein erster, vorgegebener Soll-Ladezustand ist, mit der zweiten Energiespeichereinheit den zweiten Umladestrom generiert, oder im Falle, dass der zweite Ladezustand der zweiten Energiespeichereinheit kleiner als ein zweiter, vorgegebener Soll-Ladezustand ist, mit der ersten Energiespeichereinheit den ersten Umladestrom generiert.
  • Vorzugsweise ist die Steueranordnung ferner eingerichtet, abhängig von den von der Messanordnung ermittelten Alterungszuständen der ersten und/oder der zweiten Energiespeichereinheit den Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler im Falle, dass ein erster Alterungszustand der ersten Energiespeichereinheit höher ist als ein zweiter Alterungszustand der zweiten Energiespeichereinheit, mit der zweiten Energiespeichereinheit den zweiten Umladestrom generiert, oder im Falle, dass der zweite Alterungszustand höher ist als der erste Alterungszustand, mit der ersten Energiespeichereinheit den ersten Umladestrom generiert.
  • Vorzugsweise ist die Steueranordnung ferner eingerichtet, abhängig von den von der Messanordnung ermittelten Temperaturen der ersten und/oder der zweiten Energiespeichereinheit den Gleichspannungswandler derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler im Falle, dass eine erste Temperatur der ersten Energiespeichereinheit höher ist als eine erste vorgegebene Temperaturschwelle, mit der zweiten Energiespeichereinheit den zweiten Umladestrom generiert, oder im Falle, dass die zweite Temperatur der zweiten Energiespeichereinheit höher ist als eine zweite vorgegebene Temperaturschwelle, mit der ersten Energiespeichereinheit den ersten Umladestrom generiert.
  • Dabei ist die Messanordnung vorzugsweise ferner eingerichtet, anhand der erfassten Temperaturen der jeweiligen Energiespeicher eine drohende Überhitzung der jeweiligen Energiespeichereinheiten zu ermitteln.
  • Vorzugsweise können die erste und die zweite Temperaturschwelle einen und denselben Temperaturwert aufweisen.
  • Vorzugsweise umfasst die Energiespeichervorrichtung ferner einen ersten positiven Stromanschluss zum Bereitstellen des ersten Laststromes, einen zweiten positiven Stromanschluss zum Bereitstellen des zweiten Laststromes, sowie einen negativen Stromanschluss. Dabei ist die erste elektrische Energiespeichereinheit vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten positiven Stromanschluss elektrisch angeschlossen. Analog ist die zweite elektrische Energiespeichereinheit vorzugsweise zwischen dem zweiten positiven und dem negativen Stromanschluss elektrisch angeschlossen. Der Gleichspannungswandler ist vorzugsweise mit dem ersten und dem zweiten positiven sowie dem negativen Stromanschluss elektrisch verbunden.
  • Die Messanordnung ist vorzugsweise ferner eingerichtet, Temperaturen, Lastströme, Ladeströme, Ladespannungen und/oder sonstige davon abhängige Parameter der ersten und/oder der zweiten Energiespeicher zu erfassen und anhand der erfassten Temperaturen, der Lastströme, der Ladeströme, der Ladespannungen und/oder der sonstigen davon abhängigen Parameter die Zustände der ersten und der zweiten Energiespeichereinheit zu ermitteln.
  • Vorzugsweise umfasst die erste Energiespeichereinheit eine wiederaufladbare 36-Volt-Batterie, insb. eine wiederaufladbare 36-Volt-Lithium-Ionen-Batterie, speziell eine Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Batterie (NMC) oder einen Doppelschichtkondensator (Supercap).
  • Vorzugsweise umfasst die zweite Energiespeichereinheit eine wiederaufladbare 12-Volt-Batterie, insb. eine wiederaufladbare 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie, speziell eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePo) oder eine Lithium-Titanat-Batterie (LTO).
  • Vorzugsweise umfasst der Gleichspannungswandler zwischen dem ersten und dem zweiten positiven Stromanschluss eine Reihenschaltung von einem ersten steuerbaren Schalter und einer Spule. Zwischen dem ersten positiven und dem negativen Stromanschluss umfasst der Gleichspannungswandler ferner einen ersten Kondensator. Zwischen dem zweiten positiven und dem negativen Stromanschluss umfasst der Gleichspannungswandler ferner einen zweiten Kondensator und parallel zu dem zweiten Kondensator eine weitere Reihenschaltung von der Spule und einem zweiten steuerbaren Schalter.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeugbordnetz, insbesondere für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug, bereitgestellt.
  • Das Fahrzeugbordnetz umfasst einen ersten Bordnetzzweig mit der ersten Last und einen zweiten Bordnetzzweig mit der zweiten Last, sowie eine zuvor beschriebene Energiespeichervorrichtung. Dabei ist die Energiespeichervorrichtung mit dem ersten Bordnetzzweig und dem zweiten Bordnetzzweig elektrisch verbunden und stellt dem ersten Bordnetzzweig den ersten Laststrom und dem zweiten Bordnetzzweig den zweiten Laststrom bereit.
  • Vorzugsweise weist der erste Bordnetzzweig eine erste Bordnetzspannung, welche bei über 30 Volt, insb. über 36 V, speziell bei ca. 48 Volt, liegt.
  • Vorzugsweise weist der zweite Bordnetzzweig eine zweite Bordnetzspannung, welche bei unter 30 Volt, insb. bei ca. 12 Volt, liegt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Energiespeichervorrichtung sind, soweit im Übrigen auf das oben genannte Fahrzeugbordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Fahrzeugbordnetzes anzusehen.
  • Beschreibung der Zeichnung:
  • Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schaltungstopologie ein Fahrzeugbordnetz BN eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung EV gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Fahrzeugbordnetz BN umfasst einen ersten Bordnetzzweig BZ1 mit einer ersten elektrischen Last L1 und einem zweiten Bordnetzzweig BZ2 mit einer zweiten elektrischen Last L2.
  • Das Fahrzeugbordnetz BN umfasst ferner die elektrische Energiespeichervorrichtung EV zur Bereitstellung jeweils eines ersten Laststromes Ia1 für den ersten Bordnetzzweig BZ1 und eines zweiten Laststromes Ia2 für den zweiten Bordnetzzweig BZ2.
  • Die Energiespeichervorrichtung EV umfasst einen ersten positiven Stromanschluss A1 und einen zweiten positiven Stromanschluss A2 sowie einen negativen Stromanschluss A3. Über den ersten positiven Stromanschluss A1 und den negativen Stromanschluss A3 ist die Energiespeichervorrichtung EV mit dem ersten Bordnetzzweig BZ1 elektrisch verbunden. Über den zweiten positiven Stromanschluss A2 und den negativen Stromanschluss A3 ist die Energiespeichervorrichtung EV mit dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 elektrisch verbunden.
  • Die Energiespeichervorrichtung EV umfasst ferner einen ersten Strompfad SP1, welcher den ersten und den zweiten positiven Stromanschluss A1, A2 miteinander elektrisch verbindet. In dem ersten Strompfad SP1 weist die Energiespeichervorrichtung EV ein Relais RL sowie einen ersten Energiespeicher ES1, die in dem ersten Strompfad SP1 zueinander in Reihe elektrisch angeschlossen sind. Dabei ist der erste Energiespeicher ES1 als eine wiederaufladbare 36-Volt-Lithium-Ionen-Batterie, insb. als eine 36-Volt-Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Batterie (NMC), ausgebildet.
  • Zwischen dem zweiten positiven Stromanschluss A2 und dem negativen Stromanschluss A3 weist die Energiespeichervorrichtung EV ferner einen zweiten Strompfad SP2, in dem ein zweiter Energiespeicher ES2 elektrisch angeschlossen ist. Dabei ist der zweite Energiespeicher ES2 als eine wiederaufladbare 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie, insb. als eine 12-Volt-Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePo) oder eine 12-Volt-Lithium-Titanat-Batterie (LTO), ausgebildet.
  • Die Energiespeichervorrichtung EV umfasst ferner eine Messanordnung MA, welche eingerichtet ist, Temperaturen, Ladeströme, Last- bzw. Entladeströme, Ladespannungen und/oder sonstige davon abhängige Parameter an den beiden Energiespeichern ES1, ES2 zu erfassen.
  • Hierzu umfasst die Messanordnung MA Temperatursensoren zum Erfassen der Temperaturen an den jeweiligen Energiespeichern ES1, ES2, welche an den jeweiligen Energiespeichern ES1, ES2 angeordnet sind.
  • Ferner umfasst die Messanordnung MA Strommesser mit Shuntwiderständen zum Erfassen von den Ladeströme, Last- bzw. Entladeströmen der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2. Dabei sind die Shuntwiderstände an Stromleitungen elektrisch angeschlossen, welche von den jeweiligen Energiespeichern ES1, ES2 abgehen.
  • Außerdem umfasst die Messanordnung MA Spannungsmesser, welche jeweils zwischen den Stromanschlüssen der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2 elektrisch angeschlossen sind und eingerichtet sind, Ladespannungen der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2 zu erfassen.
  • Die Messanordnung MA umfasst ferner eine Ermittlungseinheit bspw. in Form von einem Mikrokontroller, welche signaleingangsseitig mit den oben aufgelisteten Temperatursensoren, den Strommessern und den Spannungsmessern signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, aus den erfassten Temperaturen, Ladeströmen, Lastströmen, Ladespannungen Ladezustände SOC1, SOC2 und Alterungszustände SOH1, SOH2 der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2 zu ermitteln.
  • Die Energiespeichervorrichtung EV umfasst ferner eine Steueranordnung SA, welche der Messanordnung MA nachgeschaltet ist und mit der Messanordnung MA signaltechnisch verbunden ist. Signalausgangsseitig ist die Steueranordnung SA mit Steueranschlüssen des Relais RL und von zwei nachfolgend zu beschreibenden Schaltern ST1, ST2, elektrisch verbunden.
  • Die Steueranordnung SA ist eingerichtet, von der Messanordnung MA entsprechend den ermittelten Ladezuständen und Alterungszuständen der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2 Signale zu erhalten. Abhängig von den erhaltenen Signalen und abhängig von dem Betriebszustand des Fahrzeugbordnetzes BN bzw. der Energiespeichervorrichtung EV generiert die Steueranordnung SA entsprechende Steuersignale und schließt bzw. öffnet das Relay RL und die beiden Schalter ST1, ST2 entsprechend.
  • Die Energiespeichervorrichtung EV umfasst ferner einen Gleichspannungswandler GW, der mit dem ersten und dem zweiten positiven sowie dem negativen Stromanschluss A1, A2, A3 elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, eine zwischen dem ersten positiven und dem negativen Stromanschluss A1, A3 anliegende erste Bordnetzspannung U1 in eine zwischen dem zweiten positiven und dem negativen Stromanschluss A2, A3 anliegende zweite Bordnetzspannung U2 und/oder umgekehrt zu wandern.
  • Der Gleichspannungswandler GW umfasst einen ersten Strompfad SP1, der zwischen dem ersten und dem zweiten positiven Stromanschluss A1, A2 und somit parallel zu dem ersten Strompfad SP1 verläuft. In dem ersten Strompfad SP1 sind ein erster steuerbarer Schalter ST1 und eine Spule SP in Reihe angeschlossen.
  • Der Gleichspannungswandler GW umfasst ferner einen zweiten Strompfad SP2, der zwischen dem ersten positiven Stromanschluss A1 und dem negativen Stromanschluss A3 verläuft. In dem zweiten Strompfad SP2 ist ein erster Kondensator KD1 elektrisch angeschlossen.
  • Der Gleichspannungswandler GW umfasst ferner einen dritten Strompfad SP3, der zwischen dem zweiten positiven Stromanschluss A2 und dem negativen Stromanschluss A3 und somit parallel zu dem zweiten Strompfad SP2 verläuft. In dem dritten Strompfad SP3 ist ein zweiter Kondensator KD2 elektrisch angeschlossen.
  • Der Gleichspannungswandler GW umfasst ferner einen vierten Strompfad SP4, der ebenfalls zwischen dem zweiten positiven Stromanschluss A2 und dem negativen Stromanschluss A3 parallel zu dem zweiten und dem dritten Strompfad SP2, SP3 verläuft. In dem vierten Strompfad SP4 sind die oben genannte Spule SP und ein zweiter steuerbarer Schalter ST2 zueinander in Reihe angeschlossen.
  • Die Steueranschlüsse der beiden Schalter ST1, ST2 sind wie der Steueranschluss des Relais RL mit jeweils einem Signalausgang der Steueranordnung SA elektrisch verbunden.
  • Nachdem die Schaltungstopologie des Fahrzeugbordnetzes BN anhand der Figur beschrieben wurde, wird nachfolgend die Funktion der Energiespeichervorrichtung EV, insb. die der Messanordnung MA und der Steueranordnung SA näher beschrieben:
    Zum Betrieb des Hybridelektrofahrzeugs stellen der erste und der zweite Energiespeicher ES1, ES2 gemeinsam für die erste Last L1 die erste Bordnetzspannung U1 in Höhe von ca 48 Volt bereit. Zusätzlich stellt der zweite Energiespeicher ES2 für die zweite Last L2 die zweite Bordnetzspannung U2 in Höhe von ca 12 Volt bereit.
  • Der Gleichspannungswandler GW wandelt bei Bedarf (in seiner primären Funktion) die erste Bordnetzspannung U1 in die zweite Bordnetzspannung U2 und/oder umgekehrt, um den zweiten Energiespeicher ES2 mit dem Strom von dem ersten Energiespeicher ES1 bzw. umgekehrt aufzuladen.
  • Bedingt durch unterschiedliche Betriebssituationen der ersten und der zweiten Last L1, L2 werden der erste und der zweite Energiespeicher ES1, ES2 unterschiedlich stark belastet. Zudem weisen die beiden Energiespeicher ES1, ES2 bedingt durch ihre unterschiedliche Beschaffenheit und unterschiedlichen Zellmaterialien mit der Zeit unterschiedliche Zyklenfestigkeiten und somit unterschiedliche Lebensdauer auf. Als Folge fällt einer der beiden Energiespeicher ES1, ES2 vor dem anderen aus. Dies führt zu einer Verkürzung des Wartungsintervalls oder gar zu einem verfrühten Ausfall der Energiespeichervorrichtung EV.
  • Um dies entgegenzuwirken ermittelt die Messanordnung MA die Zustände, insb. Ladezustände SOC1, SOC2, Alterungszustände SOH1, SOH2 und Temperaturen T1, T2, der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2. Hierzu ermittelt die Messanordnung MA neben den Temperaturen T1, T2 an den jeweiligen Energiespeichern ES1, ES2 noch Lastströme Ia1, Ia2, Ladeströme zum Aufladen der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2, Ladespannungen Ues1, Ues2 der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2. Anhand der erfassten Temperaturen T1, T2, Lastströme Ia1, Ia2, Ladeströme und Ladespannungen Ues1, Ues2 ermittelt die Messanordnung MA in einer dem Fachmann bekannten Weise die Ladezustände SOC1, SOC2, Alterungszustände SOH1, SOH2 der jeweiligen Energiespeicher ES1, ES2. Anschließend leitet die Messanordnung MA die ermittelten Zustände an die nachgeschaltete Steueranordnung SA weiter.
  • Abhängig von den ermittelten Zuständen der beiden Energiespeicher ES1, ES2 betreibt die Steueranordnung SA in dem nachfolgenden Betrieb des Hybridelektrofahrzeugs den Gleichspannungswandler GW bzw. die beiden Schalter ST1, ST2 des Gleichspannungswandlers GW derart, dass der Gleichspannungswandler GW mit dem ersten Energiespeicher ES1 einen ersten Umladestrom Igw1 zum Versorgen der zweiten Last L2, oder mit dem zweiten Energiespeicher ES2 einen zweiten Umladestrom Igw2 zum Versorgen der ersten Last L1 generiert.
  • Im Einzelnen steuert die Steueranordnung SA den Gleichspannungswandler GW wie nachfolgend:
    Im Falle, dass ein erster Ladezustand SOC1 des ersten Energiespeichers ES1 kleiner als ein erster, vorgegebener Soll-Ladezustand ist, steuert die Steueranordnung SA den Gleichspannungswandler GW derart, dass der Gleichspannungswandler GW mit dem zweiten Energiespeicher ES2 den zweiten Umladestrom Igw2 generiert, mit dem die erste Last L1 versorgt wird.
  • Im Falle, dass ein zweiter Ladezustand SOC2 des zweiten Energiespeichers ES2 kleiner als ein zweiter, vorgegebener Soll-Ladezustand ist, mit dem ersten Energiespeicher ES1 den ersten Umladestrom Igw1 generiert, mit dem die zweite Last L2 versorgt wird.
  • Im Falle, dass ein erster Alterungszustand SOH1 des ersten Energiespeichers ES1 höher ist als ein zweiter Alterungszustand SOH2 des zweiten Energiespeichers ES2, mit dem zweiten Energiespeicher ES2 den zweiten Umladestrom Igw2 generiert, mit dem die erste Last L1 versorgt wird.
  • Im Falle, dass der zweite Alterungszustand SOH2 höher als der erste Alterungszustand SOH1 ist, mit dem ersten Energiespeicher ES1 den ersten Umladestrom Igw1 generiert, mit dem die zweite Last L2 versorgt wird.
  • Im Falle, dass eine erste Temperatur T1 des ersten Energiespeichers ES1 höher als eine erste vorgegebene Temperaturschwelle ist, mit dem zweiten Energiespeicher ES2 den zweiten Umladestrom Igw2 generiert, mit dem die erste Last L1 versorgt wird.
  • Im Falle, dass die zweite Temperatur T2 der zweiten Energiespeichereinheit ES2 höher als eine zweite vorgegebene Temperaturschwelle ist, mit dem ersten Energiespeicher ES1 den ersten Umladestrom Igw1 generiert, mit dem die zweite Last L2 versorgt wird.
  • Damit werden die Energiespeicher ES1, ES2 abhängig von den jeweiligen Zuständen entlastet, so dass die Lebensdauer der beiden Energiespeicher ES1, ES2 insgesamt erhöht und die Ausfälle der beiden Energiespeicher ES1, ES2 hinausgezögert werden. Dadurch wird der Wartungsintervall der gesamten Energiespeichervorrichtung EV verlängert.

Claims (11)

  1. Elektrische Energiespeichervorrichtung (EV) für ein Bordnetz (BN) eines Kraftfahrzeugs, umfassend: – eine erste elektrische Energiespeichereinheit (ES1) zum Bereitstellen eines ersten Laststromes (Ia1) für eine erste Last (L1); – eine zweite elektrische Energiespeichereinheit (ES2) zum Bereitstellen eines zweiten Laststromes (Ia2) für eine zweite Last (L2); – einen Gleichspannungswandler (GW), welcher mit der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist; – eine Messanordnung (MA) zum Ermitteln von Zuständen der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit; – eine Steueranordnung (SA), welche signaleingangsseitig mit der Messanordnung (MA) und signalausgangsseitig mit dem Gleichspannungswandler (GW) elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, abhängig von den ermittelten Zuständen der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit den Gleichspannungswandler (GW) derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler (GW) • mit der ersten Energiespeichereinheit (ES1) einen ersten Umladestrom (Igw1) zum Versorgen der zweiten Last (L2) und/oder zum Aufladen der zweiten Energiespeichereinheit (ES2), oder • mit der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) einen zweiten Umladestrom (Igw2) zum Versorgen der ersten Last (L1) und/oder zum Aufladen der ersten Energiespeichereinheit (ES1), generiert.
  2. Energiespeichervorrichtung (EV) nach Anspruch 1, wobei die Messanordnung (MA) ferner eingerichtet ist, zur Ermittlung der Zustände der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit Ladezustände (SOC1, SOC2), Alterungszustände (SOH1, SOH2) und/oder Temperaturen (T1, T2) der ersten (ES1) und/oder der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit zu erfassen.
  3. Energiespeichervorrichtung (EV) nach Anspruch 2, wobei die Steueranordnung (SA) ferner eingerichtet ist, den Gleichspannungswandler (GW) derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler (GW), – im Falle, dass ein erster Ladezustand (SOC1) der ersten Energiespeichereinheit (ES1) kleiner als ein erster, vorgegebener Soll-Ladezustand ist, mit der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) den zweiten Umladestrom (Igw2), oder – im Falle, dass der zweite Ladezustand (SOC2) der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) kleiner als ein zweiter, vorgegebener Soll-Ladezustand ist, mit der ersten Energiespeichereinheit (ES1) den ersten Umladestrom (Igw1), generiert.
  4. Energiespeichervorrichtung (EV) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steueranordnung (SA) ferner eingerichtet ist, den Gleichspannungswandler (GW) derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler (GW), – im Falle, dass ein erster Alterungszustand (SOH1) der ersten Energiespeichereinheit (ES1) höher ist als ein zweiter Alterungszustand (SOH2) der zweiten Energiespeichereinheit (ES2), mit der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) den zweiten Umladestrom (Igw2), oder – im Falle, dass der zweite Alterungszustand (SOH2) höher ist als der erste Alterungszustand (SOH1), mit der ersten Energiespeichereinheit (ES1) den ersten Umladestrom (Igw1), generiert.
  5. Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steueranordnung (SA) ferner eingerichtet ist, den Gleichspannungswandler (GW) derart zu steuern, dass der Gleichspannungswandler (GW), – im Falle, dass eine erste Temperatur (T1) der ersten Energiespeichereinheit (ES1) höher ist als eine erste vorgegebene Temperaturschwelle, mit der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) den zweiten Umladestrom (Igw2), oder – im Falle, dass die zweite Temperatur (T2) der zweiten Energiespeichereinheit (ES2) höher ist als eine zweite vorgegebene Temperaturschwelle, mit der ersten Energiespeichereinheit (ES1) den ersten Umladestrom (Igw1), generiert.
  6. Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: – einen ersten positiven Stromanschluss (A1) zum Bereitstellen des ersten Laststromes (Ia1); – einen zweiten positiven Stromanschluss (A2) zum Bereitstellen des zweiten Laststromes (Ia2); – einen negativen Stromanschluss (A3); – wobei die erste elektrische Energiespeichereinheit (ES1) zwischen dem ersten (A1) und dem zweiten (A2) positiven Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist; – die zweite elektrische Energiespeichereinheit (ES2) zwischen dem zweiten positiven (A2) und dem negativen (A3) Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist; – der Gleichspannungswandler (GW) mit dem ersten (A1) und dem zweiten (A2) positiven sowie dem negativen (A3) Stromanschluss elektrisch verbunden ist.
  7. Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messanordnung (MA) ferner eingerichtet ist, Temperaturen, Lastströme (Ia1, Ia2), Ladeströme, Ladespannungen und/oder sonstige davon abhängige Parameter der ersten (ES1) und/oder der zweiten (ES2) Energiespeicher zu erfassen und anhand der erfassten Temperaturen, der Lastströme (Ia1, Ia2), der Ladeströme, der Ladespannungen und/oder der sonstigen davon abhängigen Parameter die Zustände der ersten (ES1) und der zweiten (ES2) Energiespeichereinheit zu ermitteln.
  8. Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Energiespeichereinheit (ES1) eine wiederaufladbare 36-Volt-Batterie, insb. eine wiederaufladbare 36-Volt-Lithium-Ionen-Batterie, speziell eine Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Batterie (NMC) oder einen Doppelschichtkondensator (Supercap), umfasst.
  9. Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Energiespeichereinheit (ES2) eine wiederaufladbare 12-Volt-Batterie, insb. eine wiederaufladbare 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie, speziell eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePo) oder eine Lithium-Titanat-Batterie (LTO), umfasst.
  10. Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungswandler (GW) ferner umfasst: – zwischen dem ersten (A1) und dem zweiten (A2) positiven Stromanschluss eine Reihenschaltung von einem ersten steuerbaren Schalter (ST1) und einer Spule (SP); – zwischen dem ersten positiven (A1) und dem negativen (A3) Stromanschluss einen ersten Kondensator (KD1); – zwischen dem zweiten positiven (A2) und dem negativen (A3) Stromanschluss einen zweiten Kondensator (KD2); und – zwischen dem zweiten positiven (A2) und dem negativen (A3) Stromanschluss und parallel zu dem zweiten Kondensator (KD2) eine weitere Reihenschaltung von der Spule (SP) und einem zweiten steuerbaren Schalter (ST2).
  11. Fahrzeugbordnetz (BN), umfassend: – einen ersten Bordnetzzweig (BZ1), welcher die erste Last (L1) umfasst; – einen zweiten Bordnetzzweig (BZ2), welcher die zweite Last (L2) umfasst; – eine Energiespeichervorrichtung (EV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche mit dem ersten Bordnetzzweig (BZ1) und dem zweiten Bordnetzzweig (BZ2) elektrisch verbunden ist und dem ersten Bordnetzzweig (BZ1) den ersten Laststrom (Ia1) und dem zweiten Bordnetzzweig (BZ2) den zweiten Laststrom (Ia2) bereitstellt.
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