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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.
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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 der Batteriezellen bestimmen dabei die zur Verfügung stehende Energie und damit die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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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.
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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).
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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). So kann in einem Fahrbetrieb eine unveränderte Fahrspannung (z.B. von 400V) und in einem Ladebetrieb eine erhöhte Ladespannung (z.B. von 800V) verwendet werden.
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DE102014004790A1 beschreibt zwar das Konzept eines Speichersystems mit einer Umschaltmatrix. Dabei wird jedoch nicht gewährleistet, dass in zuverlässiger Weise zwischen dem Ladebetrieb und dem Fahrbetrieb des Speichersystems umgeschaltet werden kann.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein schaltbares Speichersystem bereitzustellen, das in zuverlässiger und Energie-effizienter Weise zwischen einem Ladebetrieb und einem Fahrbetrieb umgeschaltet werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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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.
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Das Speichersystem umfasst ein erstes und ein zweites Speichermodul zur Speicherung von elektrischer Energie. Allgemein kann das Speichersystem N Speichermodule zur Speicherung von elektrischer Energie, mit N > 1, umfassen. Jedes Speichermodul kann dabei zumindest einen Strang von (typischerweise mehreren) Speicherzellen umfassen. Ggf. kann ein Speichermodul auch parallel geschaltete Speicherzellen umfassen. Die Anzahl N von Speichermodulen 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 Speichermodule können gleich ausgelegt sein (insbesondere in Bezug auf die jeweilige Nennspannung und/oder in Bezug auf die jeweilige Speicherkapazität).
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Außerdem umfasst das Speichersystem eine Schalteinheit (mit mehreren Schaltern), die eingerichtet ist, die N Speichermodule für einen Ladebetrieb in Serie zu schalten und die N Speichermodule für den Antrieb des Fahrzeugs, d.h. für die Versorgung des Antriebssystems des Fahrzeugs, parallel zu schalten.
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Des Weiteren umfasst das Speichersystem eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Schalteinheit zu steuern. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Schalteinheit derart anzusteuern, dass für einen Ladevorgang die Serienschaltung aus den N Speichermodulen 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 erfolgen. In entsprechender Weise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Schalteinheit derart anzusteuern, dass für den Antrieb des Fahrzeugs zumindest ein Teil der N Speichermodule (z.B. N/2 Speichermodule) parallel zu dem Antriebssystem des Fahrzeugs geschaltet ist. Somit kann ein sicherer Betrieb des Fahrzeugs mit einer relativ niedrigen Fahrspannung erfolgen.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, ein oder mehrere Maßnahmen zu veranlassen, um einen Unterschied eines Ladezustands (z.B. eines State of Charge, SOC) des ersten Speichermoduls und eines Ladezustands des zweiten Speichermoduls in Vorbereitung auf ein Parallel-Schalten des ersten Speichermoduls mit dem zweiten Speichermodul zu reduzieren. Durch eine Reduzierung des Unterschieds der Ladezustände zwischen den N Speichermodulen kann ein sicheres Umschalten von einer Serienschaltung (zum Laden der Speichermodule) zu einer Parallelschaltung (zum Antrieb des Fahrzeugs) erfolgen. Es kann somit ein Speichersystem bereitgestellt werden, das in zuverlässiger Weise hohe Ladeleistungen und einen Kosten-effizienten Antrieb ermöglicht.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, Information in Bezug auf den Ladezustand des ersten Speichermoduls und in Bezug auf den Ladezustand des zweiten Speichermoduls zu ermitteln. Die Information in Bezug auf die Ladezustände kann z.B. durch Messung einer (Leerlauf-)Spannung an dem ersten Speichermodul und/oder an dem zweiten Speichermodul ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Information in Bezug auf die Ladezustände durch Messung von über der Zeit kumulierten Ladeleistungen des ersten Speichermoduls und/oder des zweiten Speichermoduls ermittelt werden. Die ein oder mehreren Maßnahmen können dann in Abhängigkeit von der Information in Bezug auf die Ladezustände durch die Steuereinheit veranlasst werden. Insbesondere können dabei die durch die Information angezeigten Ladezustands-Unterschiede reduziert werden.
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Das Speichersystem kann ein erstes (elektrisch betriebenes) Kühlmodul und ein zweites (elektrisch betriebenes) Kühlmodul umfassen. Die Kühlmodule können insbesondere jeweils einen elektrischen Kühlmittelverdichter umfassen. Dabei kann das erste Kühlmodul angeordnet sein, um (ggf. ausschließlich) das erste Speichermodul zu kühlen. Das zweite Kühlmodul kann angeordnet sein, um (ggf. ausschließlich) das zweite Speichermodul zu kühlen. Insbesondere kann die von dem ersten Kühlmodul generierte thermische Energie zu mehr als 50% von dem ersten Speichermodul aufgenommen werden. In analoger Weise kann die von dem zweiten Kühlmodul generierte thermische Energie zu mehr als 50% von dem zweiten Speichermodul aufgenommen werden.
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Das erste Kühlmodul kann (ggf. ausschließlich) mit elektrischer Energie aus dem ersten Speichermodul betrieben werden und das zweite Kühlmodul kann (ggf. ausschließlich) mit elektrischer Energie aus dem zweiten Speichermodul betrieben werden. Somit kann durch den Betrieb des ersten Kühlmoduls für das erste Speichermodul der Ladezustand des ersten Speichermoduls beeinflusst werden. Durch den Betrieb des zweiten Kühlmoduls für das zweite Speichermodul kann wiederum der Ladezustand des zweiten Speichermoduls beeinflusst werden. In analoger Weise können für N Speichermodule entsprechende N Kühlmodule bereitgestellt werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen elektrischen Verbrauch des ersten Kühlmoduls und des zweiten Kühlmoduls anzupassen, so dass der Unterschied zwischen dem Ladezustand des ersten Speichermoduls und dem Ladezustand des zweiten Speichermoduls reduziert wird. Beispielsweise kann das erste Kühlmodul mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben werden als das zweite Kühlmodul, wenn der Ladezustand des ersten Speichermoduls höher ist als der Ladezustand des zweiten Speichermoduls. Durch die Ladezustands-abhängige Ansteuerung der Kühlmodule kann eine effiziente Reduzierung von Ladezustands-Unterschieden bewirkt werden.
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Das Speichersystem kann einen Gleichspannungswandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen dem ersten Speichermodul und dem zweiten Speichermodul zu verschieben. Insbesondere kann dem ersten Speichermodul elektrische Energie entnommen werden, die zum Laden des zweiten Speichermoduls verwendet wird (bzw. umgekehrt). Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Gleichspannungswandler anzusteuern, so dass der Unterschied zwischen dem Ladezustand des ersten Speichermoduls und dem Ladezustand des zweiten Speichermoduls reduziert wird. Beispielsweise kann elektrische Energie von dem ersten Speichermodul zum Laden auf das zweite Speichermodul transferiert werden, wenn das erste Speichermodul einen höheren Ladezustand aufweist als das zweite Speichermodul. Durch Verwendung eines Gleichspannungswandlers kann eine zuverlässige Reduzierung von Ladezustands-Unterschieden bewirkt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann der Gleichspannungswandler dazu verwendet werden, ein Niedervolt-Bordnetz (z.B. ein 12V-Bordnetz) des Fahrzeugs (insbesondere eine Niedervolt-Batterie des Fahrzeugs) mit Energie aus dem ersten oder aus dem zweiten Speichermodul zu laden. Insbesondere kann dabei elektrische Energie aus dem Speichermodul mit dem jeweils höheren Ladezustand entnommen werden. So kann der Ladezustand eines Speichermoduls reduziert werden, um den Ladezustands-Unterschied zwischen den beiden Speichermodulen zu reduzieren.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Schalteinheit derart anzusteuern, dass in einer ersten Phase eines Ladevorgangs das erste Speichermodul und das zweite Speichermodul in Serie zueinander und gemeinsam parallel zu einer Ladedose des Fahrzeugs angeordnet sind. In der ersten Phase des Ladevorgangs kann somit mit einer relativ hohen Ladespannung geladen werden (die z.B. der doppelten Nennspannung der beiden Speichermodule entspricht).
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Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, die Schalteinheit derart anzusteuern, dass in einer nachfolgenden zweiten Phase des Ladevorgangs das erste Speichermodul von der Ladedose des Fahrzeugs entkoppelt ist und das zweite Speichermodul parallel zu der Ladedose des Fahrzeugs angeordnet ist. In der zweiten Phase des Ladevorgangs kann insbesondere ein dediziertes Nachladen des zweiten Speichermoduls erfolgen. Insbesondere kann so der Ladezustand des zweiten Speichermoduls erhöht werden, um den Ladezustands-Unterschied zum ersten Speichermodul zu reduzieren. So kann eine effiziente Reduzierung von Ladezustands-Unterschieden bewirkt werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Schalteinheit derart anzusteuern, dass in einer ersten Phase eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs (insbesondere direkt im Anschluss an einen Ladevorgang), das zweite Speichermodul von einem Antriebssystem des Fahrzeugs entkoppelt ist und das erste Speichermodul parallel zu dem Antriebssystem angeordnet ist. Als Folge daraus wird während der ersten Phase des Fahrbetriebs keine Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs aus dem zweiten Speichermodul entnommen. Andererseits wird aus dem ersten Speichermodul elektrische Energie entnommen, um das Fahrzeug anzutreiben. Als Folge daraus sinkt der Ladezustand des ersten Speichermoduls, und kann so an den (niedrigeren) Ladezustand des zweiten Speichermoduls angepasst werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Schalteinheit weiter derart anzusteuern, dass in einer nachfolgenden zweiten Phase des Fahrbetriebs, zusätzlich das zweite Speichermodul parallel zu dem Antriebssystem angeordnet wird. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn der Ladezustands-Unterschied zwischen dem ersten Speichermodul und dem zweiten Speichermodul ausreichend reduziert wurde (um substantielle Ausgleichsströme zu vermeiden). So kann eine effiziente Reduzierung von Ladezustands-Unterschieden bewirkt werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen Schalt-Zeitpunkt zu ermitteln, an dem das Antriebssystem des Fahrzeugs eine Leistung aus dem Speichersystem aufnimmt, die kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Leistungs-Schwellenwert ist. Insbesondere kann ein Schalt-Zeitpunkt ermittelt werden, an dem das Antriebssystem leistungsfrei ist (z.B. bei einem Segel-Vorgang im Fahrbetrieb). Die Steuereinheit kann dann die Schalteinheit veranlassen, das zweite Speichermodul an dem Schalt-Zeitpunkt parallel zu dem Antriebssystem anzuordnen. So kann ein sicheres Zuschalten des zweiten Speichermoduls gewährleistet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Schutz eines Speichersystems eines Fahrzeugs beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes und ein zweites Speichermodul zur Speicherung von elektrischer Energie. Das Verfahren umfasst das Anordnen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls in Serie, um das erste Speichermodul und das zweite Speichermodul zu laden. Außerdem umfasst das Verfahren, in Vorbereitung auf ein Parallel-Schalten des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls, das Durchführen ein oder mehrerer Maßnahmen, um einen Unterschied von Ladezuständen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls zu reduzieren. Das Verfahren umfasst weiter das Anordnen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls parallel zueinander, um ein Antriebssystem des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln von historischen Daten, die einen Unterschied von Ladezuständen des ersten Speichermoduls und des zweiten Speichermoduls bei ein oder mehreren vorhergehenden Ladevorgängen des ersten und des zweiten Speichermoduls anzeigen. Beispielsweise können die historischen Daten anzeigen, wie groß der Unterschied der Ladezustände der beiden Speichermodule nach Abschluss eines seriellen Ladevorgangs in der Vergangenheit war. Die ein oder mehreren Maßnahmen zur Reduzierung des aktuellen Ladezustands-Unterschied können dann in Abhängigkeit von den historischen Daten ausgewählt werden. So kann z.B. der Zeitraum für die Anpassung der Ladezustände reduziert werden.
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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.
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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.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 ein beispielhaftes Speichersystem mit mehreren Speichermodulen;
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2 beispielhafte Mittel zur Vermeidung von Ausgleichsströmen; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Speichersystems.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Speichersystems für ein Fahrzeug, das mit relativ hohen Ladeleistungen geladen werden kann. 1 zeigt in diesem Zusammenhang ein Speichersystem 100 mit N Speichermodulen 111, 112 zur Speicherung von elektrischer Energie, die durch eine Umschalteinheit 130 in Serie zueinander oder parallel zueinander geschaltet werden können (wobei N ein ganze (gerade) Zahl, mit N > 1, insbesondere N = 2, ist). Ein Speichermodul 111, 112 umfasst ein oder mehrere Speicherzellen bzw. Stränge von Speicherzellen.
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Das Energiespeichersystem 100 kann in zwei unterschiedlichen Modi, Modus „Fahren“ bzw. Fahrmodus und Modus „Laden“ bzw. Lademodus, betrieben werden. In 1 ist der Betriebsmodus „Laden“ dargestellt. In diesem Fall kann die Serienschaltung aus den Speichermodulen 111, 112 zwischen den beiden Polen 102, 105 an eine Ladedose des Fahrzeugs geschaltet werden, um das Speichersystem 100 mit einer erhöhten Ladespannung zu laden. Die Umschaltmatrix 130 umfasst in dem dargestellten Beispiel einen Öffner 132 und einen Umschalter 131. Im Lademodus ist der Öffner 132 geöffnet und der Umschalter 131 (wie dargestellt) derart geschaltet, dass der Minus-Pol des ersten Speichermoduls 111 mit dem Plus-Pol des zweiten Speichermoduls 112 gekoppelt ist.
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Durch Schließen des Öffners 132 und durch Umschalten des Umschalters 131, so dass der Minus-Pol des ersten Speichermoduls 111 mit dem Minus-Pol des zweiten Speichermoduls 112 gekoppelt ist, können die Speichermodule 111, 112 parallel geschaltet werden. Als Folge daraus, ergibt sich zwischen den Polen 102, 105 eine reduzierte Fahrspannung, wobei die Fahrspannung typischerweise einem N-tel der Ladespannung entspricht. Das Umschalten der Schalter 131, 132 in der Umschaltmatrix 130 kann durch eine Steuereinheit 105 des Speichersystems 100 gesteuert werden.
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Es kann aus verschiedenen Gründen dazu kommen, dass sich am Ende eines Ladevorgangs die Ladezustände der Speichermodule 111, 112 des Speichersystems 100 unterscheiden. Beispielsweise können die Speichermodule 111, 112 während des Ladevorgangs unterschiedlich belastet worden sein (z.B. durch einen Niedervolt-Gleichspannungswandler 103 und das daran angeschlossene Niedervolt-(z.B. 12V)Bordnetz 104). Des Weiteren können die Speichermodule 111, 112 (z.B. aufgrund einer unterschiedlichen Alterung) unterschiedliche Innen-Widerstände aufweisen.
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Als Folge aus unterschiedlichen Ladezuständen kann es zu (ggf. substantiellen) Ausgleichsströmen kommen, wenn die Speichermodule 111, 112 aus einer Serienschaltung in eine Parallelschaltung übergehen. Derartige Ausgleichsströme können zu Schäden in dem Speichersystem 100 führen. Das Speichersystem 100 kann daher Mittel aufweisen, um Ausgleichsströme zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Das Speichersystem 100 kann beispielsweise dedizierte Kühlmodule 121, 122 zur Kühlung der einzelnen Speichermodule 111, 112 umfassen. Insbesondere kann das Speichersystem 100 ein erstes Kühlmodul 121 zur Kühlung des ersten Speichermoduls 111 und ein zweites Kühlmodul 122 zur Kühlung des zweiten Speichermoduls 112 umfassen. Die jeweiligen Kühlmodule 121, 122 werden dabei mit elektrischer Energie aus den jeweiligen Speichermodulen 111, 112 versorgt. Insbesondere wird das erste Kühlmodul 121 mit elektrischer Energie aus dem ersten Speichermodul 111 und das zweite Kühlmodul 122 mit elektrischer Energie aus dem zweiten Speichermodul 122 versorgt. Die Kühlmodule 121, 122 können als elektrische Verbraucher verwendet werden, um den Ladezustand des jeweiligen Speichermoduls 111, 112 anzupassen.
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Die Steuereinheit 105 kann eingerichtet sein, während eines Ladevorgangs den Ladezustand der einzelnen Speichermodule 111, 112 zu ermitteln. Beispielsweise kann die Steuereinheit 105 aus einem Anfangs-Ladezustand eines Speichermoduls 111, 112 am Anfang eines Ladevorgangs und aus der kumulierten Ladeleistung während des Ladevorgangs den Ladezustand zu einem bestimmten Zeitpunkt schätzen. Alternativ oder ergänzend kann ein Speichermodul 111, 112 zu einem bestimmten Zeitpunkt entkoppelt werden, um den Ladezustand des Speichermoduls 111, 112 explizit zu messen. Zu diesem Zweck kann insbesondere die Leerlauf-Spannung des Speichermoduls 111, 112 gemessen werden.
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Es kann somit ggf. ein Ungleichgewicht der Ladezustände des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 detektiert werden. Die Kühlmodule 111, 112 können dann als elektrische Verbraucher an dem jeweiligen Speichermodul 111, 112 betrieben werden, um das Ungleichgewicht zu reduzieren. Beispielsweise kann das erste Kühlmodul 111 mit einem höheren elektrischen Verbrauch betrieben werden als das zweite Kühlmodul 112, wenn ermittelt wurde, dass der Ladezustand des ersten Speichermoduls 111 höher ist als der Ladezustand des zweiten Speichermoduls 112.
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Ein Ladezustands-abhängiger Betrieb der Kühlmodule 121, 122 (und/oder eine andere Ladezustands-ausgleichende Maßnahme) kann dabei bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Ladevorgangs erfolgen. Beispielsweise kann auf Basis von historischen Daten ermittelt werden, dass das erste Speichermodul 111 typischerweise mehr Ladeleistung aufnimmt als das zweite Speichermodul 112. Diese Information kann dazu verwendet werden, um gleich von Beginn an das erste Kühlmodul 121 mit einem relativ erhöhten Verbrauch zu betreiben (im Vergleich zum zweiten Kühlmodul 122) bzw. um gleich von Beginn an eine Ladezustands-ausgleichende Maßnahme durchzuführen.
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Durch den ungleichen Betrieb der Kühlmodule 121, 122 kann erreicht werden, dass die Ladezustände der Speichermodule 111, 112 am Ende eines Ladevorgangs angenähert werden bzw. substantiell gleich sind. Als Folge daraus werden Ausgleichsströme bei der anschließenden Parallelschaltung im Fahrbetrieb reduziert bzw. vermieden.
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Ein ungleicher Betrieb der Kühlmodule 121, 122 geht typischerweise einher mit einem entsprechenden ungleichen Kühlungsbedarf der Speichermodule 111, 112 (aufgrund der ungleichen Leistungsaufnahme). Somit stellt der ungleiche Betrieb der Kühlmodule 121, 122 eine Energie-effiziente Möglichkeit zur Reduzierung von Ausgleichsströmen dar.
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2 zeigt ein Speichersystem 100 mit einem Gleichspannungswandler 210, der eingerichtet ist, elektrische Energie von dem ersten Speichermodul 111 auf das zweite Speichermodul 112 zu übertragen und umgekehrt. Die Steuereinheit 105 kann eingerichtet sein, den Gleichspannungswandler 201 anzusteuern, um ein Umladen von elektrischer Energie zwischen den Speichermodulen 111, 112 zu bewirken, so dass die Ladezustände der Speichermodule 111, 112 angeglichen werden. Als Folge daraus können Ausgleichsströme bei der Umschaltung zu einem Parallelbetrieb der Speichermodule 111, 112 reduziert werden.
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Zum Ausgleich der Ladezustände kann im Anschluss an eine erste Phase des Ladevorgangs, bei dem die Serienschaltung aus den Speichermodulen 111, 112 geladen wird, in einer zweiten Phase des Ladevorgangs eine Teilmenge der Speichermodule 111, 112 (z.B. nur das erste oder nur das zweite Speichermodul) geladen werden (mit einer entsprechend reduziert Ladespannung), um die Ladezustände der Speichermodule 111, 112 anzugleichen. Beispielsweise kann in der zweiten Phase das zweite Speichermodul 112 dediziert nachgeladen werden, wenn ermittelt wurde, dass der Ladezustand des zweiten Speichermoduls 112 niedriger ist als der Ladezustand des ersten Speichermoduls 111. So kann gewährleistet werden, dass bei einer anschließenden Parallelschaltung der Speichermodule 111, 112 kein oder nur ein reduzierter Ausgleichsstrom fließt.
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Als eine weitere Maßnahme zur Reduzierung von Ausgleichsströmen können die Speichermodule 111, 112 im Anschluss an einen Ladevorgang progressiv (d.h. erst nach und nach) parallel zum Antriebssystem des Fahrzeugs geschaltet werden. Insbesondere kann in einem ersten Schritt das Speichermodul 111 mit dem höchsten Ladezustand parallel zum Antriebssystem geschaltet werden, um das Fahrzeug anzutreiben (z.B. das erste Speichermodul 111). Die ein oder mehreren anderen Speichermodule 112 können dann zunächst vom Antriebssystem entkoppelt bleiben. Nach einer Reduzierung des Ladezustands des ersten Speichermoduls 111 können dann die ein oder mehreren anderen Speichermodule 112 parallel zum Antriebssystem geschaltet werden. Dieser Schaltvorgang erfolgt dabei bevorzugt zu einem Zeitpunkt, an dem das Antriebssystem leistungsfrei ist (z.B. bei einem Segel-Vorgang des Fahrzeugs). Durch ein progressives Parallelschalten der Speichermodule 111, 112 im Fahrbetrieb können Ausgleichsströme in Energie-effizienter Weise reduziert werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Schutz eines Speichersystems 100 eines Fahrzeugs, wobei das Speichersystem 100 ein erstes und ein zweites Speichermodul 111, 112 zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst. Das Verfahren 300 umfasst das Anordnen 301 des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 in Serie, um das erste Speichermodul 111 und das zweite Speichermodul 112 zu laden. Das Verfahren 300 umfasst weiter, in Vorbereitung auf ein Parallel-Schalten des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112, das Durchführen 302 ein oder mehrerer (Ladezustands-ausgleichender) Maßnahmen, um einen Unterschied von Ladezuständen des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 zu reduzieren. Insbesondere können ein oder mehrere Maßnahmen durchgeführt werden, um den Ladezustands-Unterschied mindestens auf einen bestimmten Unterschieds-Schwellenwert zu reduzieren.
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Das Verfahren 300 umfasst weiter das Anordnen 303 des ersten Speichermoduls 111 und des zweiten Speichermoduls 112 parallel zueinander, um ein Antriebssystem des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Durch die vorhergehende Reduzierung des Ladezustands-Unterschieds kann gewährleistet werden, dass dieses Parallel-Schalten in sicherer Weise (insbesondere ohne signifikante Ausgleichströme) erfolgen kann.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein Speichersystem für ein Fahrzeug bereitgestellt werden, das in zuverlässiger Weise zwischen einer relativ hohen Ladespannung (für hohe Ladeleistungen) und einer relative niedrigen Fahrspannung (für ein Kosten-effizientes Antriebssystem) schalten kann.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014004790 A1 [0005, 0006]
