DE102017123184A1

DE102017123184A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichersystems

Info

Publication number: DE102017123184A1
Application number: DE102017123184.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg; Dominik Eberl
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Es werden vorgestellt eine Vorrichtung (240) und ein Verfahren zum elektrischen Laden eines eine erste Energiespeicherbank (102) und eine zweite Energiespeicherbank (104) umfassenden elektrischen Energiespeichersystems (100). Eine anliegende Ladespannung entspricht einer Nennspannung der zumindest zwei Energiespeicherbänke (102, 104). Im Energiespeichersystem (100) sind ein erstes Schütz (106) elektrisch parallel zur zweiten Energiespeicherbank (104) und ein zweites Schütz (108) elektrisch parallel zur ersten Energiespeicherbank (102) angeordnet, und ein drittes Schütz (110) ist zwischen der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Energiespeicherbank (104) angeordnet, um die erste Energiespeicherbank (102) und die zweite Energiespeicherbank (104) in Reihe zu schalten. Dabei wird ein Steuerparameter (236) ermittelt, welcher eine Spannungsdifferenz (242) zwischen der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Energiespeicherbank (104) repräsentiert, um die Energiespeicherbank (102, 104) der ersten Energiespeicherbank (102) oder zweiten Energiespeicherbank (104) mit einer geringeren Spannung auszuwählen. Die ausgewählte Energiespeicherbank (102, 104) mit der geringeren Spannung wird geladen, bis ein Betrag (244) einer Spannungsdifferenz (242) zwischen der ersten und der zweiten Energiespeicherbank kleiner oder gleich einem Schwellwert (246) ist, und die erste Energiespeicherbank (102) und die zweite Energiespeicherbank (104) werden parallel geladen, wenn der Betrag (244) der Spannungsdifferenz (242) kleiner oder gleich dem Schwellwert (246) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Laden eines eine erste Energiespeicherbank und eine zweite Energiespeicherbank umfassenden elektrischen Energiespeichersystems sowie eine entsprechende Vorrichtung zum elektrischen Laden eines eine erste Energiespeicherbank und eine zweite Energiespeicherbank umfassenden elektrischen Energiespeichersystems sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Energ iespeichersystem.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit einem Energiespeichersystem für Kraftfahrzeuge beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in welcher zumindest zwei Energiespeicherbänke mit gleicher Nennspannung in Reihe geschaltet sind und mit der Nennspannung der Energiespeicherbänke geladen werden sollen.
Bei Elektrofahrzeugen mit Traktions-Antriebsleistungen von mehr als 150 kW ist es sinnvoll, anstatt mit einer bei einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen üblichen Hochvoltspannungsebene von 400 V mit einer Hochvoltspannungsebene von 800 V zu arbeiten. Aus sicherheitstechnischen Gründen wird in der Regel die 1000 V Grenze nicht überschritten. Mit der höheren Hochvoltspannungsebene von 800 V lassen sich hohe Leistungen so mit einem halbierten Strom darstellen, bzw. kann man bei gleichem Strom die doppelte Leistung darstellen. Beispiele solcher Hoch-Performance-Fahrzeuge sind sowohl mit einer 800 V Batterie als auch mit einer 800 V E-Traktion ausgeführt. Auf der anderen Seite ist ein Großteil der Schnellladeinfrastruktur welche an entsprechenden Schnellladesäulen 150 kW bereitstellen, auf die weiter verbreiteten 400 V Fahrzeuge ausgelegt. Somit ist entweder in der Ladesäule ein entsprechender Ladewandler auf 800 V vorzusehen, oder, da dies flächendeckend nicht gewährleistet sein wird, ein entsprechender, sehr schwerer und teurer 400 V auf 800 V Ladewandler an Bord des entsprechenden Fahrzeugs vorzusehen.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Lösung zu schaffen, mit der ein Energiespeichersystem, welches zwei in Reihe geschaltete Energiespeicherbänke umfasst, mit einer Ladespannung, die der Nennspannung der beiden Energiespeicherbänke entspricht, effizient geladen werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichersystems weist einen Schritt des Ermittelns eines Steuerparameters, einen Schritt des Auswählens der Energiespeicherbank mit der im Vergleich geringeren Spannung sowie einen Schritt des Ladens ausschließlich der ausgewählten Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung, bis die beiden Energiespeicherbänke einen vergleichbaren Spannungslevel erreicht haben, um dann beide Energiespeicherbänke parallel zu laden.
Unter einem Energiespeichersystem kann eine Batterie bzw. ein Akku oder Akkumulator verstanden werden. Das Energiespeichersystem umfasst zumindest zwei Energiespeicherbänke, welche die selbe Nennspannung aufweisen. In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Energiespeichersystem eine Vielzahl von Energiespeicherbänken, die sich entsprechend parallel und seriell verschalten lassen, um mit einer geringeren Ladespannung als die Nennspannung des Energiespeichersystems geladen zu werden, wobei die Ladespannung der Nennspannung einer Energiespeicherbank des Energiespeichersystems entspricht.
Das elektrische Energiespeichersystem umfasst eine erste Energiespeicherbank, sowie eine zweite Energiespeicherbank zum Speichern elektrischer Energie. Unter einer Energiespeicherbank kann eine Anzahl von Energiespeichermodulen verstanden werden. Dabei kann die Anzahl der Energiespeichermodule parallel und/oder seriell verschaltet sein um die geforderte Leistung der Energiespeicherbank bereitzustellen. Die für den Schritt des Ladens bereitstehende Ladespannung entspricht der Nennspannung der ersten Energiespeicherbank sowie der Nennspannung der zweiten Energiespeicherbank. Mit anderen Worten weisen die erste Energiespeicherbank und die zweite Energiespeicherbank die gleiche Nennspannung auf. Weiterhin umfasst das Energiespeichersystem zumindest drei Schütze. Ein erster Schütz ist elektrisch parallel zur zweiten Energiespeicherbank angeordnet, ein zweites Schütz ist elektrisch parallel zur ersten Energiespeicherbank angeordnet. Ein drittes Schütz ist zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank angeordnet. Wenn das erste Schütz sowie das zweite Schütz geöffnet sind und das dritte Schütz geschlossen ist, so sind die beiden Energiespeicherbänke in Reihe geschaltet. Wenn beispielsweise die beiden Energiespeicherbänke eine Nennspannung von 400 V aufweisen, so liegt in diesem Fall als Klemmenspannung des Energiespeichersystems 800 V an. Wenn das dritte Schütz und das zweite Schütz geöffnet sind sowie das erste Schütz geschlossen ist, so kann die erste Energiespeicherbank geladen werden. Entsprechend kann, wenn das dritte Schütz und das erste Schütz geöffnet sind sowie das zweite Schütz geschlossen ist, die zweite Energiespeicherbank geladen werden. Wenn das erste Schütz und das zweite Schütz geschlossen sind und das dritte Schütz geöffnet ist, so sind die erste Energiespeicherbank und die zweite Energiespeicherbank parallel zueinander angeordnet, sodass bei einer an dem Energiespeichersystem anliegenden Ladespannung von beispielsweise 400 V die beiden Energiespeicherbänke entsprechend mit der anliegenden Ladespannung geladen werden. So sind das erste Schütz sowie die erste Energiespeicherbank in Reihe zueinander angeordnet und das zweite Schütz sowie die zweite Energiespeicherbank in Reihe zueinander angeordnet.
Der im Schritt des Ermittelns ermittelte Steuerparameter repräsentiert eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank. Über den Steuerparameter kann somit im Schritt des Auswählens die Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung ausgewählt werden. Dabei kann beispielsweise eine positive oder negative Spannungsdifferenz ermittelt werden, wodurch ein Indikator für die Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung gegeben ist.
Im Schritt des Ladens wird der Steuerparameter überwacht. Mit anderen Worten wird die Spannungsdifferenz der beiden Energiespeicherbänke überwacht. So wird die Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung geladen, bis ein Betrag der Spannungsdifferenz kleiner oder gleich einem Schwellwert ist, bzw. beide Energiespeicherbänke geladen, wenn der Betrag der Spannungsdifferenz kleiner oder gleich dem Schwellwert ist. Der Schwellwert kann dabei in einem Toleranzbereich rund um 0 V liegen. Da die Spannungsdifferenz sowohl positiv als auch negativ sein kann, kann durch das Bilden eines Betragswertes mit einer einfachen Rechenoperation ein Vergleich mit dem Schwellwert erfolgen
In einer Ausführungsform wird der Betrag der Spannungsdifferenz antizipiert, um das zu schaltende Schütz entsprechend rechtzeitig zu einem Zeitpunkt der Aktivierung anzusteuern, sodass im Zeitpunkt des Schaltmoments die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiebank und der zweiten Energiebank im Idealfall 0 V beträgt. Dadurch kann eine Belastung der Schütze während des Schaltens erheblich verringert werden. Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt der Aktivierung des zu schaltenden Schützes und dem Zeitpunkt des Schaltmoments des zu schaltenden Schützes wird als Schalt-Totzeit bezeichnet. Hierbei kann kontinuierlich eine Änderung der Spannung über die Zeit der aktuell geladenen Energiespeicherbank oder alternativ kontinuierlich eine Änderung der Differenzspannung über die Zeit oder des die Differenzspannung repräsentierenden Steuerparameters über die Zeit bestimmt werden. Dabei kann in einer ersten Näherung eine so ermittelte Steigung als linear betrachtet werden. Somit kann mit der so ermittelten Steigung der Zeitpunkt bestimmt werden, an dem ein Zuschalten erfolgen müsste, sodass Spannungsgleichheit zwischen den beiden Energiespeicherbänken besteht. Letztlich muss für den richtigen Zeitpunkt der Aktivierung die antizipierte Schalt-Totzeit der Schaltzustandsänderung subtrahiert werden. Die Schalt-Totzeit ergibt sich dabei beispielsweise aus einer Totzeit von Tiefpässen einer Spannungsmessung, Kommunikationszeit wie beispielsweise Bus-Latenzen, der zum Bestimmen bzw. Ausführen eines Steueralgorithmus sowie einer Aktivierungszeit des Schützes inklusive dessen mechanischer Laufzeit. Letztlich kann durch eine Spannungsmessung während des Schaltvorgangs verifiziert werden, ob die antizipierte Schalt-Totzeit korrekt ist. Entsprechende Fehler können in den Steueralgorithmus zurückfließen, wodurch ein Lernverfahren der Schalt-Totzeit implementiert werden kann. Letztlich kann die antizipierte Schalt-Totzeit unter Verwendung des Steuerparameters zum Zeitpunkt des Schaltmoments neu bestimmt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines ersten Wertes einer ersten Klemmenspannung der ersten Energiespeicherbank und Einlesen eines zweiten Wertes einer zweiten Klemmenspannung der zweiten Energiespeicherbank. Der Steuerparameter wird dann als Differenz des ersten Wertes der ersten Klemmenspannung und des zweiten Wertes der zweiten Klemmenspannung ermittelt. So kann der Steuerparameter unter Verwendung einer Messung der Klemmenspannung der Betroffenen Energiespeicherbänke ermittelt werden. Alternativ kann der Steuerparameter unter Verwendung eines Spannungswerts einer Spannung eines offenen Schützes des ersten oder zweiten Schützes bestimmt werden. Bei einer angestrebten Parallelschaltung der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank ist das dritte Schütz geöffnet und um eine Symmetrierung der beiden Energiespeicherbänke herzustellen zuerst nur eines Schützes des ersten und zweiten Schützes geöffnet und das weitere Schütz des ersten und zweiten Schützes geschlossen. Eine Messung des offenen Schützes des ersten und zweiten Schützes repräsentiert die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank. Die Messung der Spannung über das offene Schütz ermöglicht den Einsatz einer geringeren maximalen Eingangsspannung der Messeinrichtung im Vergleich zu einer Messung der Klemmenspannung der Energiespeicherbänke. Somit kann ein möglicher Messfehler reduziert werden und eine bessere Gesamtperformance erzielt werden.
Bei einer Messung der Spannung über das offene erste Schütz oder alternativ das offene zweite Schütz kann aus der positiven bzw. negativen Differenzspannung auf die Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung geschlossen werden. Wenn die über das offene Schütz gemessene Differenzspannung positiv ist, so braucht die Schaltstellung des ersten Schützes und des zweiten Schützes nicht weiter verändert zu werden, bis die Differenzspannung kleiner oder gleich dem Schwellwert ist. Bei einer negativen Differenzspannung über das offene Schütz, kann daraus geschlossen werden, dass bei der gegenwärtigen Schaltstellung der beiden Schütze (erstes Schütz und zweites Schütz) die Energiespeicherbank mit der größeren Spannung geladen werden würde. Da aber die Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung geladen werden sollte, um eine Symmetrierung der beiden Energiespeicherbänke zu erreichen, kann nun das geschlossene Schütz der beiden Schütze (erstes und zweites Schütz) geöffnet werden und das andere Schütz entsprechend geschlossen werden. Da nun das andere Schütz offen ist, sollte sich in diesem Fall dort eine positive Differenzspannung einstellen.
Eine Vorrichtung zum elektrischen Laden eines eine erste elektrische Energiespeicherbank und eine zweite elektrische Energiespeicherbank umfassenden elektrischen Energiespeichersystems, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst eine Einrichtung zum Ermitteln eines Steuerparameters sowie eine Steuereinrichtung. Das Energiespeichersystem umfasst ein erstes Schütz, welches elektrisch parallel zur zweiten Energiespeicherbank angeordnet ist, ein zweites Schütz, welches elektrisch parallel zur ersten Energiespeicherbank angeordnet ist, sowie ein drittes Schütz, welches zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank angeordnet ist, um die beiden Energiespeicherbänke in Reihe zu schalten. Die Vorrichtung ist eingerichtet, die beiden Energiespeicherbänke zu symmetrieren, d. h. während eines Ladevorgangs mit einer Ladespannung, die in einem Toleranzbereich der Nennspannung der beiden Energiespeicherbänke entspricht, die Spannungslage der beiden Energiespeicherbänke aneinander anzupassen und diese parallel zu laden. Hierzu ist die Einrichtung zum Ermitteln des Steuerparameters ausgebildet, den Steuerparameter zu ermitteln. Der Steuerparameter repräsentiert eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank. Unter Verwendung des Steuerparameters kann die Energiespeicherbank der ersten Energiespeicherbank und zweiten Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung ausgewählt werden. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die unter Verwendung des Steuerparameters ausgewählte Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung zu laden bis ein Betrag des Steuerparameters bzw. der Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank kleiner oder gleich einem Schwellwert ist und die beiden Energiespeicherbänke parallel zu laden, wenn der Betrag des Steuerparameters bzw. der Betrag der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Energiespeicherbänken kleiner oder gleich dem Schwellwert ist. Bei dem Schwellwert kann es sich um einen Wert zwischen 0 und einem Wert um einen Toleranz Bereich größer null handeln.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen des Schwellwerts auf. Die Einrichtung zum Bestimmen des Schwellwerts ist eingerichtet, den Schwellwert unter Verwendung einer Schalt-Totzeit und einer typischen Steigung einer Spannung über die Zeit einer sich im Aufladen befindlichen Energiespeicherbank zu bestimmen.
Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zum Antizipieren aufweisen. Die Einrichtung zum Antizipieren ist ausgebildet, den Betrag der Spannungsdifferenz nach einem Zeitintervall, dessen Dauer der Schalt-Totzeit entspricht, vorher zu bestimmen, um einen Schaltvorgang des ersten Schützes oder des zweiten Schützes um die Schalt-Totzeit vor einem erreichen einer Spannungsdifferenz von 0 V einzuleiten. Ziel hierbei ist es, die Schütze immer zu schalten, wenn aufgrund der nicht vorhandenen Spannungsdifferenz, d. h. einer Spannungsdifferenz von 0 V keine Belastung durch den durch das Schütz fließenden Strom auftritt. Die antizipierte Schalt-Totzeit ergibt sich aus einer Summe einer Zeit zum Ermitteln des Steuerparameters, einer Aktivierungszeit zum schalten des ersten, zweiten und/oder dritten Schützes inklusive dessen mechanischer Laufzeit. Weiterhin kann die Vorrichtung eine Lerneinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die antizipierte Schalt-Totzeit selbst lernenden neu zu bestimmen unter Verwendung des Steuerparameters zum Zeitpunkt des Schaltmoments. Dabei kann die Lerneinrichtung ein neuronales Netz oder Fuzzy-Logik umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Schnittstelle zum einlesen eines Wertes einer ersten Klemmenspannung der ersten Energiespeicherbank und eines zweiten Wertes einer zweiten Klemmenspannung der zweiten Energiespeicherbank. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, den Steuerparameter als Differenz des ersten Wertes und des zweiten Wertes zu ermitteln. In diesem Fall wird der Steuerparameter unter Verwendung der Batteriespannung (oder Energiespeicherbankspannung) der ersten Energiespeicherbank und der Batteriespannung (oder Energiespeicherbankspannung) der zweiten Energiespeicherbank ermittelt.
In einer hierzu alternativen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Schnittstelle zum einlesen eines Spannungswerts einer Spannung über das offene erste Schütz und einer Spannung über das offene zweite Schütz, je nachdem welches der beiden Schütze aktuell offen ist. Der so eingelesene Spannungswert kann als Steuerparameter verwendet werden.
Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, Steuersignale zum Ansteuern des ersten Schützes, des zweiten Schützes und des dritten Schützes bereitzustellen, um bei einem eingelesenen negativen Spannungswert der Spannung über das offene erste Schütz das zweite Schütz zu öffnen und danach das erste Schütz zu schließen, bei einem eingelesenen negativen Spannungswert der Spannung über das offene zweite Schütz das erste Schütz zu öffnen und danach das zweite Schütz zu schließen. Dabei wird das dritte Schütz offen gehalten.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend und umgekehrt. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Ferner kann die Vorrichtung in einen ASIC oder einer vergleichbaren integrierten Schaltung (µC, FPGA, ...) integriert sein. Unter der Vorrichtung kann allgemein auch ein Steuergerät verstanden werden.
Die hier genannte Vorrichtung kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung für das beschriebene Verfahren ausgeführt sein. Besagte Vorrichtung kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen. So kann das Computerprogrammprodukt Teil der oben beschriebenen Vorrichtung sein.
Eine Variante der hier beschriebenen Vorrichtung kann zusammen mit einem entsprechenden Energiespeichersystem in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Bei dem Fahrzeug kann es sich ganz allgemein um ein Transportmittel handeln. Unter einem Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug wie auch ein schienengebundenes Fahrzeug, ein Schiff oder ein Flugzeug verstanden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Hochvolt-Elektrofahrzeug.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Energiespeichersystems mit zwei Energiespeicherbänken;
2 ein Blockschaltbild eines Energiespeichersystems mit zwei Energiespeicherbänken gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine grafische Darstellung einer Klemmenspannung von zwei Energiespeicherbänken über die Zeit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine grafische Darstellung eines Stromflusses durch ein Schütz eines Energiespeichersystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine grafische Darstellung einer Klemmenspannung von zwei Energiespeicherbänken über die Zeit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine grafische Darstellung eines Stromflusses durch ein Schütz eines Energiespeichersystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Blockschaltbild eines Energiespeichersystems mit zwei Energiespeicherbänken gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum elektrischen Laden eines elektrischen Energiespeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einem entsprechenden Energiespeichersystem.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Energiespeichersystem 100 mit zwei Energiespeicherbänken 102, 104. Weiterhin umfasst das Energiespeichersystem 100 drei Schütze 106, 108, 110. Das Energiespeichersystem 100 ist an eine Schnellladestation 112 über zwei Klemmen 114, 116 angeschlossen. Die erste Energiespeicherbank 102 ist über das dritte Schütz 110 mit der zweiten Energiespeicherbank 104 in Reihe schaltbar. So ist ein Eingang der ersten Energiespeicherbank 102 mit der Klemme 114 verbunden, ein Ausgang der zweiten Energiespeicherbank 104 ist mit der Klemme 116 verbunden. Die Verbindung zwischen dem dritten Schütz 110 und der ersten Energiespeicherbank 102, d. h. ein Eingang der ersten Energiespeicherbank 102, ist über das erste Schütz 106 mit der ersten Klemme 114 verbunden. Die Verbindung zwischen der zweiten Energiespeicherbank 104 und dem dritten Schütz 110, d. h. ein Ausgang der zweiten Energiespeicherbank 104, ist über das zweite Schütz 108 mit der Klemme 116 verbunden. Parallel zum ersten Schütz 106 sind ein Vorladewiderstand 118 und ein hierzu in Reihe geschaltetes Vorladeschütz 120 angeordnet. Genauso sind elektrisch parallel zum zweiten Schütz 108 ebenfalls ein Vorladewiderstand 118 und ein hierzu in Reihe geschaltetes Vorladeschütz 120 angeordnet. Mit dieser Anordnung ist ein Bankladen der beiden Energiespeicherbänke 102, 104 möglich.
Wenn das dritte Schütz 110 geschlossen und das erste Schütz 106 sowie das zweite Schütz 108 geöffnet sind, so liegen bei einer Nominalleistung von 400 V der beiden Energiespeicherbänke 102, 104 an der Klemme 800V an. Wird das dritte Schütz 110 hingegen geöffnet und das erste Schütz 102 und das zweite Schütz 104 geschlossen, so ist die Spannung an der Klemme 400V und die beiden Energiespeicherbänke 102, 104 sind parallelgeschaltet und könnten an einer 400V Ladesäule geladen werden.
Dabei ergibt sich aber die folgende Problematik:
Die beiden Energiespeicherbänke 102, 104 sind nicht symmetriert, daher ist die Spannung unterschiedlich. Die einzelnen Zellen eines Moduls in einer Energiespeicherbank werden zwar in der Art symmetriert, dass Zellen, die in ihrer Spannungslage über den anderen Zellen eines Moduls liegen, über Widerstände etwas entladen werden, allerdings kann so nicht die statistische Streuung der Batteriekapazitäten und unterschiedlichen State of Health (SoH) ausgeglichen werden. Die Alterung der Zellen über die Lebensdauer kann nicht als symmetrisch angenommen werden. Dazu kommt noch ein weiterer Aspekt: Für die Funktionale Sicherheit (FuSi) soll es möglich sein, dass die Traktion nur aus einer Energiespeicherbank mit 400V erfolgt. Hiermit ergibt sich inhärent eine Spannungs-Asymmetrie.
Deshalb werden Vorladewiderstände 118 mit Vorladeschützen 120 jeweils parallel zum ersten Schütz 106 und zweitem Schütz 108 vorgesehen. Diese sollen in einem „Vorladezustand“ das Angleichen der Bankspannungen über einen Widerstand ermöglichen. Die im Vorladewiderstand 118 umgesetzte Energie kann mehrere kJoule betragen. Es sind daher sehr große, teure, schwere Vorladewiderstände 118 notwendig. Die durch den Vorladewiderstand 118 erzeugte Wärme sollte jedoch in direkter Nähe der Batterie (Modul, Energiespeicherbank, Energiespeichersystem) vermieden werden. Der Ausgleichsprozess benötigt je nach Widerstandsgröße viel Zeit, Typischerweise >10s bei kleinen Spannungsunterschieden bis Minuten bei Spannungsunterschieden bis 40V (10%) der Bankspannung.
Bei der in 2 gezeigten Lösung kann auf die Vorladewiderstände 118 und Vorladeschützen 120, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt sind, verzichtet werden und die mit diesen verbundenen Herausforderungen können somit vermieden werden.
Das in 2 dargestellte Energiespeichersystem 100 entspricht in weiten Teilen dem in 1 dargestellten Energiespeichersystems 100. So entfallen die parallel zum ersten Schütz 106 und zweiten Schütz 108 angeordneten Vorladewiderstände 118 und Schütze 120. Dafür ist zusätzlich eine Messeinrichtung 230 zur Bestimmung der Spannung der ersten Energiespeicherbank 102 sowie eine weitere Messeinrichtung 230 zur Bestimmung der Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104 vorgesehen. Die beiden Messeinrichtungen 230 sind über eine Einrichtung 232 zur Differenzwertbildung, welche die Funktion einer Einrichtung 234 zum Ermitteln eines Steuerparameters 236 erfüllt, mit einer Steuereinrichtung 238 verbunden.
Die Messeinrichtung 230, die Einrichtung 232 zur Differenzwertbildung sowie die Steuereinrichtung 238 sind Teil einer Vorrichtung 240 zum elektrischen Laden des die erste Energiespeicherbank 102 und die zweite Energiespeicherbank 104 umfassenden elektrischen Energiespeichersystems 100.
Der Steuerparameter 236 repräsentiert den Spannungsdifferenzwert 242 zwischen der ersten Energiespeicherbank 102 und der zweiten Energiespeicherbank 104. So kann über den Steuerparameter 236 die Energiespeicherbank 102, 104 der ersten Energiespeicherbank 102 oder zweiten Energiespeicherbank 104 mit der geringeren Spannung ausgewählt werden, sodass zuerst nur die ausgewählte Energiespeicherbank 102, 104 geladen werden kann, bis eine Spannungsgleichheit zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 hergestellt worden ist, um dann die beiden Energiespeicherbänke 102, 104 parallel zu laden. Diese Steuerungsaufgabe übernimmt die Steuereinrichtung 238. So ist die Steuereinrichtung 238 ausgebildet, den Steuerparameter 236 auszuwerten, die Energiespeicherbank 102, 104 mit der geringeren Spannung auszuwählen und die ausgewählte Energiespeicherbank 102, 104 zu laden bis ein Betrag 244 der Spannungsdifferenz 242 zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 kleiner oder gleich einem Schwellwert 246 ist. Wenn die Spannungsdifferenz 242, bzw. der Betrag 244 des Spannungsdifferenzwerts 242 zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 kleiner oder gleich dem Schwellwert 246 ist, so ist die Steuereinrichtung 238 ausgebildet, die Schütze 106, 108, 110 über Steuerleitungen 248 derart anzusteuern, dass die beiden Energiespeicherbänke 102, 104 parallel geladen werden.
In einer ersten theoretischen Betrachtung kann der Schwellwert 246 einen Wert von 0 V aufweisen. Somit zeigt der Schwellwert 246 eine Spannungsgleichheit zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 auf. Da aber von dem Zeitpunkt, an dem die Spannungsdifferenz 242 zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 den Schwellwert 246 erreicht, bis zu dem Zeitpunkt dass die Schütze 106, 108, 110 von der Steuereinrichtung 238 entsprechend angesteuert wurden und geschaltet haben, die ausgewählte Energiespeicherbank 102, 104 weiter geladen wird, würde bei der Verwendung eines Schwellwerts 246 von 0 V das Schalten der Schütze 106, 108 nicht stromlos erfolgen und somit zu einer vorzeitigen Alterung der Schütze 106, 108 führen. Deshalb weist die Vorrichtung 240 in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin eine Einrichtung 250 des Antizipierens auf, welche eingerichtet ist, den Betrag 244 des Spannungsdifferenz Werts 242 nach einem Zeitintervall, dessen Dauer einer Schalt-Totzeit entspricht, vorher zu bestimmen um einen Schaltvorgang der Schütze 106, 108 entsprechend um die Schalt-Totzeit früher vor einem Erreichen eines Spannungsdifferenz Wertes von 0 V einzuleiten, um ein stromloses schalten zu erzielen. Dies wird später anhand von 3 bis 6 noch näher erläutert.
Die in 2 gezeigte Lösung basiert darauf, dass die Spannung beider Energiespeicherbänke 102, 104 gemessen wird. In einem ersten Schritt wird erkannt, welche Energiespeicherbank 102, 104 die niedrigere Spannung hat. In einem zweiten Schritt wird zuerst nur die Energiespeicherbank 102, 104 mit der niedrigeren Spannung zum Laden zugeschaltet. Unter dem Laden erhöht sich die Spannung dieser zuerst geladenen Energiespeicherbank 102, 104. Die weitere Energiespeicherbank 102, 104 wird nun dann zugeschaltet, wenn die Spannung der zuerst geladenen Energiespeicherbank 102, 104 genau gleich ist zur weiteren Energiespeicherbank 102, 104. Weil in diesem Moment der Spannungsunterschied null ist, fließt auch kein Ausgleichsstrom zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104. Die dargestellte Lösung bezieht sich auf diesen Vorgang plus einem Mechanismus zur Behandlung der Problematik, dass die Schaltzeit der Schütze 106, 108 mit bis zu 30ms recht lang ist und der zeitliche Nulldurchgang deshalb beim Zuschalten nicht erreicht wird ohne die Zusatzmaßnahme einer zeitlichen Prädiktion.
Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Vorrichtung können teure, schwere Vorladekreise mit Schützen 120 und Widerständen 118 entfallen. Weiterhin ist keine Wartezeit wegen eines Bankausgleiches notwendig, auch entsteht keine Verlustleistung in oder an der Batterie. Dabei können auch stark unsymmetrisch entladene Energiespeicherbänke 102, 104 geladen werden.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Spannungsmessung über den Energiespeicherbänken 102, 104 und eine Schützsteuerung für die Umschaltschütze 106, 108, 110.
Ein exemplarisches Verfahren für einen Ladevorgang an einer 150kW-400V-Ladesäule für Schnellladung kann wie folgt erfolgen:
in einem Initialzustand sind das erste Schütz 106, das zweite Schütz 108 sowie das dritte Schütz 110 geöffnet.
In einem ersten Schritt werden die Spannungen der beiden Energiespeicherbänke 102, 104 gemessen. Beispielsweise wird für die erste Energiespeicherbank 102 eine Spannung von 390 V und für die zweite Energiespeicherbank 104 eine Spannung von 370 V ermittelt. Daraufhin wird erkannt, welche der beiden Energiespeicherbänke 102, 104 die geringere Spannung aufweist. Dies ist in einem ersten Beispiel die hier als untere dargestellte zweite Energiespeicherbank 104. Weil die zweite Energiespeicherbank 104 die niedrigere Spannung aufweist, wird sie für die Initiale Aufschaltung auf die Ladesäule von der Steuereinrichtung 238 angesteuert. Es wird das zweite Schütz 108 geschlossen. Es wird nur die zweite Energiespeicherbank 104 geladen, deren Spannung sich somit erhöht. Wenn die Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104 gleich der Spannung der ersten Energiespeicherbank 102 ist (in unserem Beispiel weisen nun beide Energiespeicherbänke 102, 104 die gleiche Spannung von 390 V auf), so wird das erste Schütz 106 geschlossen. Jetzt werden beide Energiespeicherbänke 102, 104 geladen.
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung weitgehend die Bezugszeichen zu den 1-2 als Referenz beibehalten.
3 zeigt wie die Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104 an die Spannung der ersten Energiespeicherbank 102 durch das Laden herangeführt wird. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden [s] und auf der Ordinate die Spannung U in Volt [V] dargestellt. Parallel dazu ist in 4 mit der gleichen Zeitachse auf der Ordinate der Strom I in Ampere [A] dargestellt. Die Kurve 360 zeigt die Spannung der ersten Energiespeicherbank 102, die Kurve 362 zeigt die Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104. Auf der Zeitachse sind drei Zeitpunkte 364, t_a , t_s markiert. Der erste Zeitpunkt 364 markiert den Ladebeginn der zweiten Energiespeicherbank 104. Der zweite Zeitpunkt t_a , im Folgenden auch alternativ als Aktivierungszeitpunkt t_a oder Zeitpunkt t_a der Aktivierung bezeichnet, zeigt den Zeitpunkt t_a des Einleitens des Schaltvorgangs des ersten Schützes 106 und der dritte Zeitpunkt t_s , im Folgenden auch alternativ als Schaltmoment t_s bezeichnet, markiert den Zeitpunkt t_s des Schaltmoments des ersten Schützes 106. Die Spannung der beiden Energiespeicherbänke 102, 104 verläuft bis zum ersten Zeitpunkt konstant. Die erste Energiespeicherbank 102 weist eine Spannung von 390 V auf. Die zweite Energiespeicherbank 104 weist eine Spannung von 370 V auf. Ab dem ersten Zeitpunkt 366 steigt die Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104 kontinuierlich bis zum dritten Zeitpunkt t_s an, wobei zum zweiten Zeitpunkt t_a Spannungsgleichheit der ersten Energiespeicherbank 102 und der zweiten Energiespeicherbank 104 eingestellt ist. Die Spannung der ersten Energiespeicherbank 102 verläuft konstant bis zum dritten Zeitpunkt t_s und springt dann auf den zu diesem Zeitpunkt t_s erreichten Spannungswert der zweiten Energiespeicherbank 104. Die erste Steigung der Spannungskurve 362 der zweiten Energiespeicherbank verläuft konstant zwischen dem ersten Zeitpunkt 366 und dem dritten Zeitpunkt t_s , weiterhin ist die Spannungskurve 362 nach dem dritten Zeitpunkt t_s ebenfalls konstant, wobei die zweite Steigung nach dem dritten Zeitpunkt t_s geringer ist als die erste Steigung vor dem dritten Zeitpunkt t_s . Die Steigung der Spannungskurve 360 der ersten Energiespeicherbank 102 entspricht nach dem dritten Zeitpunkt t_s der Steigung der Spannungskurve 362 der zweiten Energiespeicherbank 104. 4 zeigt den Strom über das zweite Schütz 108, welches zum dritten Zeitpunkt t_s geschlossen wird. Zum dritten Zeitpunkt t_s springt die Kurve auf einen Wert von größer 50 A.
Das Zeitintervall zwischen dem zweiten Zeitpunkt t_a und dem dritten Zeitpunkt t_s , d.h. zwischen dem Aktivierungszeitpunkt t_a und dem Schaltmoment t_s , wird als Schalt-Totzeit t₀ oder als Schaltverzögerung bezeichnet.
Mit anderen Worten zeigen 3 und 4, wie die Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104 an die Spannung der ersten Energiespeicherbank 102 durch das Laden herangeführt wird. Bei Spannungsgleichheit wird die erste Energiespeicherbank 102 zugeschaltet über das erste Schütz 106. Wegen der Schaltverzögerung des Schützes 106 (je nach Schütz kann diese beispielsweise bis zu 30 ms betragen) erfolgt das tatsächliche Zuschalten aber nicht bei Spannungsgleichheit, sondern wenn die zweite Energiespeicherbank 104 bereits eine höhere Spannung erreicht hat. Weil das so ist, erfolgt das Zuschalten über das erste Schütz 106 im Zuschaltmoment t_s nicht stromlos was zu einer Alterung des Schützes 106 führen kann. Um dieses Problem zu lösen wird, wie bereits in der Beschreibung zu 2 dargestellt, eine Prädiktion des richtigen Aktivierungsmomentes t_a des Schützes 106, 108 durch die Steuereinrichtung 238 vorgenommen. Dies wird anhand der beiden folgenden Figuren 5 und 6 beschrieben, welche zu 3 und 4 gleich sind, mit dem Unterschied, dass die erste Energiespeicherbank 102 über das erste Schütz 106 zu einem anderen Zeitpunkt zugeschaltet wird, mit dem Ziel, dass die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank 102 und der zweiten Energiespeicherbank 104 im Zuschaltmoment t_s 0 V beträgt. Wie bei den beiden vorangegangenen Figuren 3 und 4 beschrieben wird zuerst die zweite Energiespeicherbank 104 geladen. Während des Ladens wird kontinuierlich die Änderung der Spannung 362 über die Zeit (ΔU/Δt) bestimmt. Mit dieser Steigung wird der Zeitpunkt t_a bestimmt, an dem ein Zuschalten erfolgen müsste, sodass im Zuschaltmoment t_s Spannungsgleichheit zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 besteht.
Der zeitliche Abstand zum richtigen Schaltmoment beträgt: $t_{s} = 1 / (Δ U/ Δ t) * (U_{1} - U_{2})$
Dabei bedeuten:

ΔU: Spannungsdifferenz
Δt: Zeitintervall (über das die Spannungsdifferenz ermittelt wird)
U₁: Spannung der ersten Energiespeicherbank 102
U₂: Spannung der zweiten Energiespeicherbank 104

Für den richtigen Zeitpunkt der Aktivierung t_a muss die antizipierte Schalt-Totzeit t₀ der Schaltzustandsänderung subtrahiert werden.
Die Schalt-Totzeit t₀ setzt sich aus den folgenden Anteilen zusammen:

1. Totzeit der Tiefpässe der Spannungsmessung
2. Kommunikationszeit (Bus-Latenzen)
3. Berechnungszeit Algorithmus
4. Aktivierungszeit Schütz inklusive mechanischer Laufzeit

t_{a} = 1 / (Δ U/ Δ t) * (U_{1} - U_{2}) - t_{0}

Durch Spannungsmessung während des Schaltvorgangs kann verifiziert werden, ob die antizipierte Schalt-Totzeit t₀ korrekt ist. In einer Ausführungsform kann hier ein Algorithmus zum Lernen der Schalt-Totzeit t₀ implementiert werden. Dies erfolgt beispielsweise über neuronale Netze oder Fuzzy-Logik.
In dem in 2 dargestellten Blockschaltbild wird die Spannung über den Energiespeicherbänken 102, 104 gemessen. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Energiespeicherbänke 102, 104 eine Nennspannung von 400 V aufweisen, so sollte der Messbereich der Messeinrichtung 230 demnach mindestens 500 V betragen. Eine einprozentige Messungenauigkeit führt entsprechend bereits zu einem absoluten Messfehler von 5 V. Vor diesem Hintergrund macht es Sinn, die Spannungsdifferenz über die geöffneten Schütze 106, 108 zu messen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 7 dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt die Anordnung in 7 eine Spannungsmessung über das erste Schütz 106 sowie das zweite Schütz 108. Weiterhin ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 2 die Einrichtung 232 zur Differenzwert Bildung in die Steuereinrichtung 238 integriert. Zur Erläuterung der Funktionsweise der Steuereinrichtung 238 sind im folgenden zwei verschiedene Abläufe dargestellt, die in der Realität auftreten können.
Das Energiespeichersystem 100 weist eine Nennspannung von 800 V auf. Die beiden Energiespeicherbänke 102, 104 weisen jeweils eine Nennspannung von 400 V auf. Das Energiespeichersystem 100 ist an eine Schnellladestation 112 mit einer Nominalspannung von 400 V und einer Leistung von 150 kW angeschlossen. Zu Beginn des Ladevorgangs weist die erste Energiespeicherbank 102 eine Spannung von 390 V und die zweite Energiespeicherbank 104 eine Spannung von 370 V auf. Initial sind die drei Schütze 106, 108, 110 offen. Nun wird als erstes das zweite Schütz 108 geschlossen, das erste Schütz 106 bleibt offen. Es wird nun der Spannungsunterschied über das erste Schütz 106 gemessen. Dieser entspricht der positiven Differenzspannung der beiden Energiespeicherbänke 102, 104: $390 V - 370 V = 20 V$
Es wird nun zuerst die zweite Energiespeicherbank 104 geladen. Ein Zuschalten des ersten Schützes 106 erfolgt, wenn die Spannung über dem ersten Schützes 106 ihren Nulldurchgang hat.
In einem zweiten Szenario sind wieder Initial alle drei Schütze geöffnet. Die Ausgangssituation entspricht der gerade geschilderten Ausgangssituation. Es wird nun zuerst das erste Schütz 106 geschlossen (d. h. durch Zufall wird zuerst das falsche Schütz zum Laden der Energiespeicherbank mit der höheren Spannung geschlossen). Es wird nun die Spannung über das offene zweite Schütz 108 gemessen. Diese entspricht der negativen Differenzspannung der beiden Energiespeicherbänke 102, 104: $370 V - 390 V = - 20 V$
Die Steuereinrichtung 238 erkennt, dass die Spannung negativ ist, deshalb öffnet sie das erste Schütz 106 wieder. Nun wird das zweite Schütz 108 geschlossen und der Ablauf entspricht dem zuerst geschilderten Szenario.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum elektrischen Laden eines elektrischen Energiespeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst zu mindestens einen Schritt S1 des Ermittelns, einen Schritt S2 des Auswählens sowie einen Schritt S3 des Ladens. Im Schritt S1 des Ermittelns wird ein Steuerparameter 236 ermittelt, welcher eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank 102 und der zweiten Energiespeicherbank 104 repräsentiert. Im Schritt S2 des Auswählens wird die Energiespeicherbank 102, 104 ausgewählt, welche die geringere Spannung aufweist. Im Schritt S3 des Ladens wird zuerst die Energiespeicherbank geladen welche die geringere Spannung aufweist, um dann bei Spannungsgleichheit die beiden Energiespeicherbänke parallel zu laden.
In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt S4 des Antizipierens des Betrags der Spannungsdifferenz, um einen Schaltvorgang des zuschaltenden Schützes 106, 108 um eine antizipierte Schalt-Totzeit vor einem erreichen einer Spannungsdifferenz von 0 V zwischen den beiden Energiespeicherbänken 102, 104 einzuleiten.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren zusätzlich einen optionalen Schritt S5 des Lernens der antizipierten Schalt-Totzeit t₀ . Hierbei wird die antizipierte Schalt-Totzeit t₀ unter Verwendung des Steuerparameters 236 im Schaltmoment t_s neu bestimmt.
In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt S6 des Einlesens eines Wertes der Klemmenspannung der ersten Energiespeicherbank 102 und eines Wertes der Klemmenspannung der zweiten Energiespeicherbank 104. Optional wird dies durch einen Schritt S7 des Messens ermittelt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird im Schritt S6 ein Spannungswert einer Spannung über das offene Schütz 106, 108 als Steuerparameter 236 eingelesen.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 900 mit einer Vorrichtung 240 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einem entsprechenden Energiespeichersystem 100.
Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft
Bezugszeichenliste

100: Energiespeichersystems
102: erste Energiespeicherbank
104: zweite Energiespeicherbank
106: erstes Schütz
108: zweites Schütz
110: drittes Schütz
112: Schnellladestation
114, 116: Klemme
118: Vorladewiderstand, Widerstand
120: Vorladeschütz, Schütz
230: Messeinrichtung
232: Einrichtung zur Differenzwertbildung
234: Einrichtung zum Ermitteln eines Steuerparameters
236: Steuerparameter
238: Steuereinrichtung
240: Vorrichtung
242: Spannungsdifferenzwert, Wert der Spannungsdifferenz
244: Betrag des Werts der Spannungsdifferenz
246: Schwellwert
248: Steuerleitungen
250: Einrichtung des Antizipierens
360: Spannung der ersten Energiespeicherbank
362: Spannung der zweiten Energiespeicherbank
364: Zeitpunkt des Ladebeginns
t_a: Zeitpunkt des Einleitens des Schaltvorgangs, Aktivierungszeitpunkt
t_s: Zeitpunkt des Schaltmoments, Schaltmoment, Zuschaltmoment
t₀: Schalt-Totzeit
462: Strom über zweites Schütz
S1: Schritt des Ermittelns eines Steuerparameters
S2: Schritt des Auswählens
S3: Schritt des Ladens
S4: Schritt des Antizipierens
S5: Schritt des Lernens
S6: Schritt des Einlesens
S7: Schritt des Messens
900: Fahrzeug

Claims

Verfahren zum elektrischen Laden eines eine erste Energiespeicherbank (102) und eine zweite Energiespeicherbank (104) umfassenden elektrischen Energiespeichersystems (100), wobei eine anliegende Ladespannung einer Nennspannung der zumindest zwei Energiespeicherbänke (102, 104) entspricht, und wobei im Energiespeichersystem (100) ein erstes Schütz (106) elektrisch parallel zur zweiten Energiespeicherbank (104) und ein zweites Schütz (108) elektrisch parallel zur ersten Energiespeicherbank (102) angeordnet sind, und ein drittes Schütz (110) zwischen der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Energiespeicherbank (104) angeordnet ist, um die erste Energiespeicherbank (102) und die zweite Energiespeicherbank (104) in Reihe zu schalten, wobei ein Steuerparameter (236) ermittelt wird, welcher eine Spannungsdifferenz (242) zwischen der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Energiespeicherbank (104) repräsentiert, zur Auswahl der Energiespeicherbank (102, 104) der ersten Energiespeicherbank (102) oder zweiten Energiespeicherbank (104) mit einer geringeren Spannung, wobei die ausgewählte Energiespeicherbank (102, 104) mit der geringeren Spannung geladen wird, bis ein Betrag (244) einer Spannungsdifferenz (242) zwischen der ersten und der zweiten Energiespeicherbank kleiner oder gleich einem Schwellwert (246) ist, und die erste Energiespeicherbank (102) und die zweite Energiespeicherbank (104) parallel geladen werden, wenn der Betrag (244) der Spannungsdifferenz (242) kleiner oder gleich dem Schwellwert (246) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt (S4) des Antizipierens des Betrags (244) der Spannungsdifferenz (242), um einen Schaltvorgang des ersten Schützes (104) oder zweiten Schützes (106) zu einem Zeitpunkt (t_a) der Aktivierung um eine antizipierte Schalt-Totzeit (t₀) vor einem Erreichen einer Spannungsdifferenz (242) von 0 Volt zu einem Zeitpunkt (t_s) eines Schaltmoments einzuleiten.
Verfahren gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei sich die antizipierte Schalt-Totzeit (t₀) aus einer Summe einer Zeit zum Ermitteln des Steuerparameters (236) und einer Aktivierungszeit zum Schalten des ersten Schützes (106), zweiten Schützes (108) und/oder dritten Schützes (110) inklusive dessen mechanischer Laufzeit bestimmt.
Verfahren gemäß dem vorangegangenen Anspruch, mit einem Schritt (S5) des Lernens der antizipierten Schalt-Totzeit (t₀), wobei die antizipierte Schalt-Totzeit (t₀) neu bestimmt wird unter Verwendung des Steuerparameters (236) zum Zeitpunkt (t_s) des Schaltmoments.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (S6) des Einlesens eines ersten Wertes einer ersten Klemmenspannung der ersten Energiespeicherbank (102) und eines zweiten Wertes einer zweiten Klemmenspannung der zweiten Energiespeicherbank (104), wobei der Steuerparameter (236) als Differenz des ersten Wertes der ersten Klemmenspannung und des zweiten Wertes der zweiten Klemmenspannung ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Schritt (S6) des Einlesens eines Spannungswerts einer Spannung über das offene erste Schütz (106) oder das offene zweite Schütz (108) als Steuerparameter (236).
Verfahren gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei bei einem eingelesenen negativen Spannungswert der Spannung über das offene erste Schütz (106) das zweite Schütz (108) geöffnet wird und danach das erste Schütz (106) (108) geschlossen wird, und wobei bei einem eingelesenen negativen Spannungswert der Spannung über das offene zweite Schütz (108) das erste Schütz (106) geöffnet wird und danach das zweite Schütz (108) geschlossen wird.
Vorrichtung (240) zum elektrischen Laden eines eine erste Energiespeicherbank (102) und eine zweite Energiespeicherbank (104) umfassenden elektrischen Energiespeichersystems (100), wobei eine anliegende Ladespannung einer Nennspannung der zumindest zwei Energiespeicherbänke (102, 104) entspricht, wobei im Energiespeichersystem (100) a. ein erstes Schütz (106) elektrisch parallel zur zweiten Energiespeicherbank (104), b. ein zweites Schütz (108) elektrisch parallel zur ersten Energiespeicherbank (102) angeordnet sind, und c. ein drittes Schütz (110) (102) zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank (104) angeordnet ist, um die die erste Energiespeicherbank (102) (104) und die zweite Energiespeicherbank in Reihe zu schalten, wobei die Vorrichtung (240) aufweist: d. eine Einrichtung (234) zum Ermitteln eines Steuerparameters (236), welcher eine Spannungsdifferenz (242) zwischen der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Energiespeicherbank (104) repräsentiert, zur Auswahl der Energiespeicherbank (102, 104) der ersten Energiespeicherbank (102) oder zweiten Energiespeicherbank (104) mit der geringeren Spannung, und e. eine Steuereinrichtung (238), welche eingerichtet ist, den Steuerparameter (236) auszuwerten und die ausgewählte Energiespeicherbank (102, 104) zu laden, bis ein Betrag (244) der Spannungsdifferenz (242) zwischen der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Energiespeicherbank (104) kleiner oder gleich einem Schwellwert (246) ist, und die erste Energiespeicherbank (102) und die zweite Energiespeicherbank (104) parallel zu laden, wenn der Betrag (244) der Spannungsdifferenz (242) kleiner oder gleich dem Schwellwert (246) ist.
Vorrichtung (240) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, mit einer Einrichtung (250) des Antizipierens, die eingerichtet ist, den Betrag (244) der Spannungsdifferenz (242) nach einem Zeitintervall, dessen Dauer einer Schalt-Totzeit (t₀) entspricht, vorherzubestimmen, um einen Schaltvorgang des ersten Schützes (106) oder zweiten Schützes (108) um die Schalt-Totzeit (t₀) vor einem Erreichen einer Spannungsdifferenz (242) von 0 Volt einzuleiten.
Vorrichtung (240) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei sich die antizipierte Schalt-Totzeit (t₀) aus einer Summe einer Zeit zum Ermitteln des Steuerparameters (236) und einer Aktivierungszeit zum Schalten des ersten, zweiten und/oder dritten Schützes (106, 108, 110) inklusive dessen mechanischer Laufzeit bestimmt.
Vorrichtung (240) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, mit einer Lerneinrichtung, die eingerichtet ist, die antizipierte Schalt-Totzeit (t₀) selbstlernend neu zu bestimmen, wobei die antizipierte Schalt-Totzeit (t₀) (236) neu bestimmt wird unter Verwendung des Steuerparameters zum Zeitpunkt des Schaltmoments (t_s).
Vorrichtung (240) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Lerneinrichtung ein neuronales Netz und/oder Fuzzy-Logik umfasst.
Vorrichtung (240) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, mit einer Schnittstelle zum Einlesen eines ersten Wertes einer ersten Klemmenspannung der ersten Energiespeicherbank (102) und eines zweiten Wertes einer zweiten Klemmenspannung der zweiten Energiespeicherbank (104), wobei die Steuereinrichtung (238) ausgebildet ist, den Steuerparameter (236) als Differenz des ersten Wertes der ersten Klemmenspannung und des zweiten Wertes der zweiten Klemmenspannung zu ermitteln.
Vorrichtung (240) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, mit einer Schnittstelle zum Einlesen eines Spannungswerts einer Spannung über das offene erste Schütz (106) oder das offene zweite Schütz (108) als Steuerparameter (236).
Vorrichtung (240) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Steuereinrichtung (238) ausgebildet ist, Steuersignale zum Ansteuern des ersten, zweiten und dritten Schütz (106, 108, 110) bereitzustellen, um bei einem eingelesenen negativen Spannungswert der Spannung über das offene erste Schütz (106) das zweite Schütz (108) zu öffnen und danach das erste Schütz (106) zu schließen, und bei einem eingelesenen negativen Spannungswert der Spannung über das offene zweite Schütz (108) das erste Schütz (106) zu öffnen und danach das zweite Schütz (108) zu schließen.
Vorrichtung (240) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15, mit einer Messeinrichtung (230) zum Erfassen der Spannung über das offene erste Schütz (106) und der Spannung über das offene zweite Schütz (108) als Steuerparameter (236) und/oder der ersten Klemmenspannung der ersten Energiespeicherbank (102) und der zweiten Klemmenspannung der zweiten Energiespeicherbank (104).
Fahrzeug (900) mit einem Energiespeichersystem (100) und einer Vorrichtung (240) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 16.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Computerprogrammprodukt auf einer Vorrichtung (240) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.