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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug.
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In modernen Kraftfahrzeugen kommen alternativ oder zusätzlich zu herkömmlichen 12-Volt-Bleibatterien zunehmend Energiespeicher für Bordnetzen mit höheren Betriebsspannungen, z.B. 48 Volt, zum Einsatz. In ein solches Bordnetz wird bei einem Hybridkraftfahrzeug auch durch Rekuperation gewonnene Energie eingespeist, im Energiespeicher zwischengespeichert und im Bedarfsfall wieder einer elektrischen Antriebseinrichtung zugeführt. Dabei kann die tatsächliche am Energiespeicher anliegende Spannung erheblich um die (lediglich nominale) Bordnetzspannung schwanken. Um die bei einem Hybridkraftfahrzeug erwünschte CO2-Einsparung zu realisieren, liegen bei einer Bordnetzspannung von 48 Volt tatsächliche Spannungen zwischen beispielsweise 36 Volt und 54 Volt über die Zeit vor, die aus erhöhten Ladespannungen zum Laden des Energiespeichers und dem Ladezustand des Energiespeichers resultieren.
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Während viele durch ein solches Bordnetz versorgbare Verbraucher dahingehend ausgelegt sind, Über- und Unterspannungen bezüglich der Bordnetzspannung zu tolerieren, existieren nichtsdestotrotz Verbraucher, bei denen Spannungsabweichungen von der Bordnetzspannung, insbesondere Überspannungen, zu Fehlerzuständen führen. Solche Verbraucher begrenzen bei einer Überspannung ihre Leistung und/oder schalten sich beim Erreichen einer maximalen Betriebsspannung selbsttätig ab, so dass sie für einen Nutzer des Kraftfahrzeugs nicht verfügbar sind.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, die Kompatibilität eines Energiespeichers im Hinblick auf anschließbare Verbraucher zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Gehäuse, in dem eine eine oder mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen aufweisende erste Energiespeicherzellengruppe und eine dazu in Reihe geschaltete, mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen aufweisende zweite Energiespeicherzellengruppe aufgenommen sind, wobei ein erster Abgriff an einem Pol der ersten Energiespeicherzellengruppe mit einem gehäuseseitigen ersten Anschluss verbindbar oder verbunden und ein zwischen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe angeordneter zweiter Abgriff mit einem gehäuseseitigen zweiten Anschluss verbindbar ist.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, zwei Anschlüsse vorzusehen, wobei der zweite Anschluss bedarfsabhängig mit dem ersten Abgriff, an welchem eine über der erste Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe abfallende Spannung abgreifbar ist, oder mit dem zweiten Abgriff, an welchem lediglich die über der zweiten Energiespeicherzellengruppe abfallende Spannung abgreifbar ist, verbindbar ist. So können Verbraucher, die auch für hohe Eingangsspannungen ausgelegt sind, am ersten Anschluss angeschlossen werden und solche, bei denen eingangsseitige Überspannungen unerwünscht sind, mit dem zweiten Anschluss verbunden werden, der mit dem betragsmäßig geringeren Potenzial am zweiten Abgriff verbindbar ist. Liegt am ersten Anschluss mithin eine Ladespannung an, die beispielsweise höher als die nominale Bordnetzspannung ist, kann der zweite Anschluss mit der demgegenüber betragsmäßig geringeren Spannung am zweiten Abgriff verbunden werden. Der erfindungsgemäße Energiespeicher stellt daher vorteilhafterweise unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten für Verbraucher mit abweichenden zulässigen Höchstspannungen bereit und ist so zur Versorgung eines erheblich breiteren Kompatibilitätsspektrums von Verbrauchern geeignet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher sind die erste Energiespeicherzellengruppe und die zweite Energiespeicherzellengruppe in Reihe geschaltet, so dass auch ihre jeweiligen Energiespeicherzellen zueinander in Reihe geschaltet oder mit anderen Worten zu einem Strang verschaltet sein können. Zweckmäßigerweise sind dabei jeweils die ungleichnamigen Pole zweier benachbarter Energiespeicherzellen miteinander verbunden. Außerdem sind die der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe zugehörigen Energiespeicherzellen bevorzugt Lithium-Ionen-Zellen und/oder untereinander gleichartig ausgebildet. Unter einem Abgriff im erfindungsgemäßen Sinne ist eine Kontaktierungsmöglichkeit an einen Pol einer Energiespeicherzelle zu verstehen.
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Außerdem kann die Energiespeicherzelle der ersten Energiespeicherzellengruppe mit dem ersten Abgriff und dem zweiten Abgriff elektrisch leitend verbunden sein bzw. eine äußere Energiespeicherzelle der ersten Energiespeicherzellengruppe mit dem ersten Abgriff und die andere äußere Energiespeicherzelle der ersten Energiespeicherzellengruppe mit dem zweiten Abgriff elektrisch leitend verbunden sein. Insbesondere ist die oder die äußere Energiespeicherzelle der ersten Energiespeicherzellengruppe als einzige Energiespeicherzelle von in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen des Energiespeichers mit dem ersten Abgriff verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann eine äußere, der ersten Energiespeicherzellengruppe zugewandte Energiespeicherzelle der zweiten Energiespeicherzellengruppe mit dem zweiten Abgriff verbunden sein. In allen Fällen bezeichnet eine „äußere Energiespeicherzelle“ die erste oder die letzte von in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen.
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Grundsätzlich wird es bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Energiespeicher zur Versorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer (nominalen) Bordnetzspannung von 48 Volt ausgelegt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher kann die Summe der Nennspannungen der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe zwischen 30 und 60 Volt betragen. Insbesondere kann dem Kraftfahrzeugbordnetz je nach Ladezustand der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe temporär eine Ausgangsspannung des Energiespeichers bereitgestellt werden, die von der Bordnetzspannung abweicht. Es steht quasi ein Puffer zur Speicherung von Energie bereit, die dem Energiespeicher beispielsweise durch Rekuperation zugeführt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher vorgesehen sein, dass die Anzahl der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe zusammen zwischen 10 und 25 Stück beträgt. Insbesondere im Hinblick auf eine Realisierung des Energiespeichers auf Basis von Lithium-Ionen-Zellen steht dann eine ausreichende Ausgangsspannung des Energiespeichers bereit.
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Es wird ferner bevorzugt, wenn die Anzahl der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe geringer als die Anzahl Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeicherzellengruppe ist. Die Spannung am zweiten Abgriff soll mithin betragsmäßig nur um die über einige wenige Energiespeicherzellen abfallende Spannung geringer sein als die Spannung am ersten Abgriff, um unerwünschte Überspannungen am zweiten Anschluss zu vermeiden. Besonders bevorzugt enthält die erste Energiespeicherzellengruppe nur die Energiespeicherzelle. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bereits eine betragsmäßige Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Abgriff von dem zweiten Abgriff in Höhe des über der Energiespeicherzelle abfallenden Spannungsanteils ausreichend ist, um unerwünschte Überspannungen zu vermeiden.
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Mit besonderem Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher eine Umschalteinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, den zweiten Anschluss in einem ersten Schaltzustand mit dem ersten Anschluss und/oder dem ersten Abgriff und in einem zweiten Schaltzustand mit dem zweiten Abgriff zu verbinden. Die Umschalteinrichtung setzt mithin die bedarfsabhängige Anpassung der am zweiten Anschluss anliegenden Spannung dadurch um, dass sie im ersten Schaltzustand die Spannungen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe am ersten Abgriff und im zweiten Schaltzustand lediglich die Spannung der zweiten Energiespeicherzellengruppe an den zweiten Anschluss anlegt.
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Es wird besonders bevorzugt, wenn die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Überschreiten eines Schwellwerts durch eine über der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe abfallende Spannung automatisch in den zweiten Schaltzustand umzuschalten. Der Energiespeicher kann mit Vorteil autark die geeignete, am zweiten Anschluss anzulegende Spannung vorgeben. Die Umschalteinrichtung kann beispielsweise ein Spannungsmessmittel umfassen, mittels welcher die abfallende Spannung gemessen wird, oder ein die abfallende Spannung beschreibendes Messsignal erhalten.
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Außerdem ist es bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher zweckmäßig, wenn ein dritter Abgriff an einem der ersten Energiespeicherzellengruppe abgewandten Pol der zweiten Energiespeicherzellengruppe vorgesehen ist, wobei der dritte Abgriff mit einem gehäuseseitigen dritten Anschluss verbindbar oder verbunden ist. Am dritten Abgriff liegt insbesondere ein Referenzpotenzial an, welches über den dritten Anschluss mit einer Fahrzeugmasse verbindbar ist. Zwischen dem dritten Abgriff und dem dritten Anschluss kann ferner eine Trenneinrichtung angeordnet sein. Dadurch können die Energiespeicherzellen bei Bedarf vom Äußeren des Energiespeichers, insbesondere vom Kraftfahrzeugbordnetz, getrennt werden. Ferner kann zwischen dem dritten Abgriff und dem dritten Anschluss ein Strommessmittel angeordnet sein. Dieses umfasst beispielsweise einen Nebenschlusswiderstand (Shunt).
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Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher ist es ferner von Vorteil, wenn eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche zum Ausgleichen eines Ladezustands der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe ausgebildet ist. Eine solche Steuereinrichtung realisiert mithin ein Zellbalancing zwischen den Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe und der zweiten Energiespeicherzellengruppe. Da insbesondere bei einer Verbindung des zweiten Abgriffs mit dem zweiten Anschluss die Energiespeicherzelle oder die Energiespeicherzellen der ersten Energiespeicherzellengruppe ungleichmäßig gegenüber jenen der zweiten Energiespeicherzellengruppe belastet werden, kann die Steuereinrichtung ferner dazu ausgebildet sein, zum Ausgleichen des Ladezustands elektrische Energie zwischen der oder einer Energiespeicherzelle der ersten Energiespeicherzellengruppe und Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeicherzellengruppe zu transportieren. Es erfolgt mithin ein so genanntes aktives Zellbalancing, bei dem einzelne Energiespeicherzellen nicht nur über einen Widerstand entladen werden, sondern ein aktiver Ladungsaustausch zwischen mehreren Energiespeicherzellen stattfindet. Die Steuereinrichtung kann grundsätzlich auch weitere Steueraufgaben eines Batteriemanagements realisieren und dazu insbesondere Messdaten des Strommessmittels auswerten.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere elektrische Verbraucher und einen erfindungsgemäßen Energiespeicher, wobei wenigstens ein erster Verbraucher mit dem ersten Anschluss und wenigstens ein zweiter Verbraucher mit dem zweiten Anschluss verbunden sind. Die Verbraucher können zum durch den Energiespeicher versorgten Kraftfahrzeugbordnetz gehören.
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Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn als zweiter Verbraucher eine Wankstabilisierungseinrichtung vorgesehen ist. Es hat sich gezeigt, dass gerade eine solche Wankstabilisierungseinrichtung besonders empfindlich auf Überspannungen reagiert und eine geringe Kompatibilität zu herkömmlichen Energiespeichern aufweist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Energiespeichers kann auch eine solche Einrichtung zuverlässig im Kraftfahrzeug betrieben werden.
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Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Energiespeicher lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeichers und
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2 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt ein Schaltbild eines Energiespeichers 1, umfassend ein Gehäuse 2, in dem eine eine Energiespeicherzelle 3 aufweisende erste Energiespeicherzellengruppe 4 und eine zwölf in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5, 5a, 5b aufweisende zweite Energiespeicherzellengruppe 6 aufgenommen sind. Die erste Energiespeicherzellengruppe 4 und die zweite Energiespeicherzellengruppe 6 sind zueinander ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Energiespeicherzellen 3, 5, 5a, 5b sind jeweils gleichartige Lithium-Ionen-Zellen, wobei die Summe ihrer Nennspannungen ca. 48 Volt beträgt.
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Am positiven Pol 7 der ersten Energiespeicherzellengruppe 4, der dem positiven Pol der Energiespeicherzelle 3 entspricht, ist ein erster Abgriff 8 vorgesehen, der mit einem gehäuseseitigen ersten Anschluss 9 verbunden ist. Zwischen dem negativen Pol 10 der ersten Energiespeicherzellengruppe 4 und dem positiven Pol 11 der zweiten Energiespeicherzellengruppe 6, welche dem negativen Pol der Energiespeicherzelle 3 bzw. dem positiven Pol der äußeren Energiespeicherzelle 5a entsprechen, ist ein zweiter Abgriff 12 vorgesehen. Ein dritter Abgriff 13 ist ferner mit dem negativen Pol 14 der zweiten Energiespeicherzellengruppe 6 verbunden, welcher dem negativen Pol der anderen äußeren Energiespeicherzelle 5b der zweiten Energiespeicherzellengruppe 6 entspricht.
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Der Energiespeicher 1 weist ferner eine Umschalteinrichtung 15 auf, mittels welcher ein gehäuseseitiger zweiter Anschluss 16 in einem in 1 gezeigten ersten Schaltzustand mit dem ersten Abgriff 8 und in einem zweiten Schaltzustand mit dem zweiten Abgriff 10 verbindbar ist. Daneben sind ein einen Nebenschlusswiderstand (Shunt) umfassendes Strommessmittel 17 und eine Trenneinrichtung 18 vorgesehen, über die der dritte Abgriff 13 mit einem gehäuseseitigen dritten Anschluss 19 trennbar verbunden ist. Der dritte Anschluss 19 ist dabei zur Verbindung des Energiespeichers 1 mit einem Referenzpotenzial, z. B. einer Kraftfahrzeugmasse, vorgesehen. Dementsprechend liegt am ersten Anschluss 9 die Spannung aller dreizehn Energiespeicherzellen 4, 5, 5a, 5b und am zweiten Anschluss 16 je nach Schaltzustand ebenfalls diese Spannung oder lediglich die Spannung von zwölf Energiespeicherzellen 5, 5a, 5b an.
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Die Umschalteinrichtung 15 umfasst ein Spannungsmessmittel 20, welches die über den Energiespeicherzellen 3, 5, 5a, 5b abfallende Spannung misst. Liegt diese Spannung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, befindet sich die Umschalteinrichtung 15 im ersten Schaltzustand, in dem am ersten Anschluss 9 und am zweiten Anschluss 16 die gleiche Spannung anliegt. Überschreitet die abfallende Spannung jedoch den vorgegebenen Schwellwert, schaltet die Umschalteinrichtung 15 automatisch in den zweiten Schaltzustand um, in dem am zweiten Anschluss 16 eine geringere Spannung anliegt als am ersten Anschluss 9. Beim Unterschreiten des Schwellwerts schaltet die Umschalteinrichtung 15 wieder automatisch zurück in den ersten Schaltzustand.
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Der Schwellwert ist vorliegend beispielsweise entsprechend der Bordnetzspannung zu 48 Volt gewählt. Soll der Energiespeicher 1 extern geladen werden, wird eine Ladespannung an den ersten Anschluss 9 angelegt, die höher als die Summe der Nennspannungen Energiespeicherzellen 4, 5, 5a, 5b ist und beispielsweise bis zu 54 Volt beträgt. Bei einem Einsatz des Energiespeichers 1 in einem Hybridkraftfahrzeug können Ladespannungen bis zu dieser Höhe beispielsweise bei einem Rekuperationsvorgang anliegen. Um eine Kompatibilität des Energiespeichers 1 auch zu Verbrauchern zu ermöglichen, die höhere Spannungen als 48 Volt nicht oder nur beschränkt tolerieren, können derartige Verbraucher an den zweiten Anschluss 16 angeschlossen werden, an dem bei einem Überschreiten des Schwellwerts lediglich die geringere Spannung des zweiten Abgriffs 12 anliegt.
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Da es im zweiten Schaltzustand der Umschalteinrichtung 15 zu einer Ungleichbelastung des Energiespeichers 3 der ersten Energiespeicherzellengruppe 4 einerseits und den Energiespeicherzellen 5, 5a, 5b der zweiten Energiespeicherzellengruppe 6 andererseits kommt, ist ferner eine Steuereinrichtung 21 vorgesehen, die ein aktives Zellbalancing zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen 4, 5, 5a, 5b ermöglicht. Dazu ist die Steuereinrichtung 21 mit allen Energiespeicherzellen 4, 5, 5a, 5b beidpolig verbunden und dazu ausgebildet, elektrische Energie zwischen den Energiespeicherzellen 4, 5, 5a, 5b zum Ausgleichen ihres Ladezustands zu transportieren.
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Durch die Steuereinrichtung 21 können zudem weitere Steueraufgaben des Energiespeichers 1 realisiert werden, die dem so genannten Batteriemanagement zuzuordnen sind. Dazu kann die Steuereinrichtung 21 insbesondere Messdaten des Strommessmittel 17 und/oder des Spannungsmessmittels 20 auswerten. Außerdem ist die Steuereinrichtung 21 zur Ansteuerung der Trenneinrichtung 18 zum Trennen der ersten Energiespeicherzellengruppe 3 und der zweiten Energiespeicherzellengruppe 6 vom dritten Anschluss 19 in einem Fehlerfall des Energiespeichers 1 ausgelegt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die erste Energiespeicherzellengruppe 4 wenigstens eine mit der Energiespeicherzelle 3 in Reihe geschaltete weitere Energiespeicherzelle. Die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss 9 und dem zweiten Anschluss 16 ist im zweiten Schaltzustand dementsprechend höher als im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Trenneinrichtung 18 nicht zwischen dem dritten Abgriff 13 und dem dritten Anschluss 19 vorgesehen, sondern in Strompfaden zwischen dem ersten Abgriff 8 und dem ersten Anschluss 9 sowie zwischen dem zweiten Abgriff 12 am zweiten Anschluss 16. Der erste Abgriff 8 ist dementsprechend über die Trenneinrichtung 18 mit dem ersten Anschluss 9 verbindbar und der zweite Abgriff 12 über die Umschalteinrichtung 15 und zusätzlich über die Trenneinrichtung 18 mit dem zweiten Anschluss 16 verbindbar.
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Die vorgenannten Ausführungsbeispiele lassen sich untereinander kombinieren. Die Summe der Nennspannungen von 48 Volt und der Schwellwert von 48 Volt sind exemplarisch gewählt. Grundsätzlich können die erste Energiespeicherzellengruppe 3 und die zweite Energiespeicherzellengruppe 6 zusammen beispielsweise zehn bis fünfundzwanzig Energiespeicherzellen umfassen, wobei die Summe ihrer Nennspannungen zwischen 30 und 60 Volt liegen kann. Die Anzahl der Energiespeicherzellen und ihre Nennspannungen sind von den verwendeten Energiespeicherzellentypen abhängig.
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2 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 22, umfassend ein Energiespeicher 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ist der erste Anschluss 9 des Energiespeichers 1 mit mehreren ersten Verbrauchern 23 und der zweite Anschluss 16 mit mehreren zweiten Verbrauchern 24 eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer nominellen Bordnetzspannung von 48 Volt verbunden. Ein zweiter Verbraucher 24 ist als Wankstabilisierungseinrichtung 25 ausgebildet, die sich als besonders empfindlich gegenüber Überspannungen erwiesen hat und daher bei einem Überschreiten des Schwellwerts von 48 Volt mit der geringeren Spannung des zweiten Abgriffs 10 versorgt wird.
